[发明专利]一种固体电解质缓冲层及其制备方法

说明书

本发明涉及固体电解质缓冲层技术领域，尤其涉及一种固体电解质缓冲层，采用掺杂Ga的LLZO固体电解质，使用纳米氧化锌异丙醇分散液，利用超声波喷涂技术使溶液经过超声波震荡形成均匀喷雾，在固体电解质的表面形成纳米级薄膜，再进行热处理形成ZnO缓冲层，本发明提出的制备方法不仅可以获得纳米级薄膜、成膜均匀度好，而且对实验环境要求相对宽松，制备工艺简单，实验周期短，所需的设备造价低，操作维护的技术要求较低。同时制备的中间层可改善电解质与金属Li的接触，显著降低固态石榴石型锂电池电解质/Li之间的界面阻抗，提高循环和倍率性能，易于大规模推广，简化工艺程序，节约成本，对于实际应用有很大的帮助。

技术领域

本发明涉及固体电解质缓冲层技术领域，尤其涉及一种固体电解质缓冲层及其制备方法。

背景技术

采用石榴石型固体电解质的全固态电池被认为是下一代能源存储系统的一种很有前途的解决方案，但迄今为止，相比于有机液体电解质和电活性材料与电解质界面接触，固体电解质与锂负极的界面接触阻抗较大。在锂电池中使用石榴石固体电解质的一个主要挑战是LLZO固体电解质是疏锂性的，其化学通式Li_6.55Ga_0.15La₃Zr₂O₁₂，与Li金属界面接触不良，导致界面存在点接触，界面电阻很高，并易在界面处引发枝晶成核。一旦微小的枝晶形成，局部电场就会迅速变化。锂优先沉积在现有的枝晶点上，并通过晶界、空隙和其他缺陷在LLZO中进一步传播，最终导致固态电池的短路。

因此，改善界面接触对降低界面阻抗、抑制Li枝晶的形成具有重要意义。现有的技术在LLZO和Li之间引入缓冲层，包括Al2O3、Nb、Si、Sn等，增强了LLZO与熔融Li的润湿性，从而在低电流密度下在一定程度上降低了Li枝晶的生长。

目前制备缓冲层的方法主要有传统的浆料技术、气相沉积法、磁控溅射电子束热蒸发(EBE)或原子层沉积(ALD)法等。传统的浆料技术其厚度难以达到纳米级、成膜均匀度较差，过厚的缓冲层无法起到降低界面阻抗的作用反而会阻碍离子传输，而表面不均匀会影响界面接触，不能达到缓冲层改性的作用。气相沉积法、磁控溅射法等，这些方法对实验环境要求相对严格，制备工艺繁复，实验周期较长，所需的设备造价高，操作维护的技术要求也较高，对于实际应用仍然存在局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种固体电解质缓冲层及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种固体电解质缓冲层，采用掺杂Ga的LLZO固体电解质，使用纳米氧化锌异丙醇分散液，利用超声波喷涂技术使溶液经过超声波震荡形成均匀喷雾，在固体电解质的表面形成纳米级薄膜，再进行热处理形成ZnO缓冲层。

优选的，所述喷涂速率为0.005-0.015mL/min。

优选的，一种固体电解质缓冲层的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备固体电解质：高温固相法制备掺杂Ga的LLZO固体电解质，将LLZO固体电解质压制成直径10-14mm的片体，1140℃烧结后制成掺杂Ga的固体电解质片；

S2、样品预处理：依次用400、800、1200、1500目的砂纸打磨掺杂Ga的固体电解质片的表面，打磨后用酒精进行超声清洗3min，去除打磨形成的杂质，清洗后烘干掺杂Ga的固体电解质片；

S3、超声喷涂进行界面改性：用胶带缠绕掺杂Ga的电解质片体的侧面，通过超声波喷涂仪将纳米ZnO分散液超声震荡形成均匀喷雾，超声喷涂速率为0.005-0.015ml/min,可在电解质表面形成纳米级薄膜，通过全无油空气压缩机保证喷雾柱稳定，空气压缩机气压控制在0.05-0.1psi，将电解质片放在可加热样品台上，调节加热台温度至110-130℃，干燥10分钟后取下，加快ZnO成膜速率；