[发明专利]一种全固态锂电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全固态锂电池及其制备方法，该全固态锂电池包括正极、负极、陶瓷电解质层，以及弥散于正极、负极以及陶瓷电解质层的表面及空隙间的聚合物固态电解质；正极包括正极集电极以及附着于正极集电极表面的正极层，正极层中包括正极活性材料，正极活性材料表面包覆有耐高压陶瓷电解质；负极包括负极集电极和表面附着的表面改性层，表面改性层中包括碳材料与粘结剂；陶瓷电解质层包括耐低压陶瓷电解质与聚合物粘结剂；可独立成层，或者附着于正极表面；聚合物固态电解质包括聚合物相，和分散在聚合物相内的锂盐。本发明公开的全固态锂电池具备优异的安全性能、高的能量密度以及优异的循环稳定性能。

技术领域

本发明涉及新型固态电池领域，具体涉及一种全固态锂电池及其制备方法。

背景技术

随着新能源汽车产业的迅速发展，对动力电池能量密度的要求越来越高，但随着电池能量密度的提高，电池的安全性面临挑战，特别是直接使用金属锂负极的金属锂电池。

传统的锂电池一般使用有机碳酸酯类的液态电解液，该类电解液具有可燃性，易造成安全问题。另外，在直接使用锂负极的液态金属锂电池中，金属锂在反复的充放电过程中易形成枝晶，易刺破隔膜从而引发安全问题。陶瓷材料具有不燃性，因此使用固态陶瓷电解质代替液态电解质，可以改善安全性。但陶瓷电解质并不能完全消除锂枝晶，且陶瓷电解质与锂的固固接触不良，界面电阻较大。另外，由于陶瓷电解质密度较大，使用陶瓷电解质一定纯度上会降低电池的能量密度。

使用无锂负极，即在负极没有金属锂，仅含有集电极，锂源全部来自正极，虽可提高电池的能量密度，又可一定程度上提高金属锂电池的安全性，但这种设计同样面临不均匀锂沉积及锂枝晶问题，引发安全问题和电池性能衰减问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，公开了一种全固态锂电池及其制备方法，该全固态锂电池既解决了液态电解液降低电池安全性的问题，由于使用了无锂负极，减缓了直接使用金属锂负极带来的安全隐患，又一定程度补偿了使用高密度固态电解质带来的电池能量密度的下降。从而使电池具备优异的安全性能、高的能量密度以及优异的循环稳定性能。

具体技术方案如下：

一种全固态锂电池，包括正极、负极，还包括陶瓷电解质层，以及弥散于正极、负极以及陶瓷电解质层的表面及空隙间的聚合物固态电解质；

所述正极包括正极集电极以及附着于所述正极集电极表面的正极层，所述正极层中包括正极活性材料，所述正极活性材料表面包覆有耐高压陶瓷电解质；

所述负极包括负极集电极和所述负极集电极表面附着的表面改性层，所述表面改性层中包括碳材料与粘结剂；

所述陶瓷电解质层包括耐低压陶瓷电解质与聚合物粘结剂；

所述陶瓷电解质层独立成层，或者附着于所述正极表面；

所述聚合物固态电解质包括聚合物相，和分散在所述聚合物相内的锂盐。

本发明通过在正极表面包覆耐高压陶瓷电解质，使正极与陶瓷电解质层隔离，防止处于充电状态的、高氧化性的正极将耐低压陶瓷电解质分解，又不影响锂离子的扩散；由于充电时在负极集电极上将沉积锂，使用耐低压的陶瓷电解质可提高与锂的化学/电化学相容性，降低界面电阻；在充电时，负极集电极的表面改性碳层首先锂化，锂化的碳改性层将引导随后的锂均匀沉积，抑制锂枝晶的形成；使用液态的单体前驱体，经原位固化后聚合物电解质将弥散于整个电池，即弥散于正极、负极以及陶瓷电解质层的表面及空隙间，从而降低电池内阻；同时，当聚合物电解质渗入陶瓷电解质颗粒之间时，可形成陶瓷/聚合物复合相，提高陶瓷电解质的机械韧性，并有效抑制锂枝晶。

所述正极，正极集电极选自但不限于金属铝、金属钛、不锈钢，正极活性材料选自含锂氧化物，可选自常见的种类，如钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、富锂材料、无钴层状材料、四元层状材料中的一种或几种。