[发明专利]一种复合固态电解质-正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池

说明书

本发明提供了一种复合固态电解质‑正极复合材料，包括多孔‑致密‑多孔骨架材料；复合在多孔‑致密‑多孔骨架材料一侧的多孔层中的固体电解质；复合在多孔‑致密‑多孔骨架材料另一侧的多孔层中的正极材料；所述骨架材料包括固态电解质骨架材料。本发明将固态电解质和正极进行了一体化的设计，而且形成了有机无机复合固态电解质，具有更宽的电化学稳定窗口，避免了锂负极与固态电解质严重的副反应，有效提高了锂负极与固态电解质的界面接触和稳定性，还能有效抑制锂枝晶的生长，一体化结构设计增加了电解质/电极界面接触。此外，本发明提供的制备方法简单易行，可控性高，适合多种无机固态电解质。

技术领域

本发明属于固态锂-空气电池技术领域，涉及一种复合固态电解质-正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池，尤其涉及一种可提高锂金属负极和无机固态电解质界面稳定性的复合固态电解质-正极复合材料及其制备方法、电解质-正极一体化结构的锂氧气电池。

背景技术

随着社会的发展进步，不可再生资源日渐消耗而且导致严重的环境污染，人们迫切希望利用可再生能源。锂离子电池由于其便捷、成本低等优势被用在能源储存领域并被大众使用和喜爱，但是其理论能量密度有限，渐渐不能满足人们所需。锂氧电池具有较高的理论能量密度是锂离子电池的十倍，有望成为下一代能源储存装置。锂氧气电池因此闻名于世界，引发人们的广泛关注。

锂氧气电池组成与锂离子电池结构一样，包括负极、电解质和正极。不同之处主要在于正极，使用空气中的氧气或者直接使用空气作为正极。根据电解质的不同可分为水系锂氧气电池、有机液体锂氧气电池、固态锂氧气电池和混合锂氧气电池。

虽然有机液体锂氧气电池具有很多优势已经被广泛使用，但在实际应用中仍然存在许多挑战，包括锂金属负极被水氧等腐蚀，易燃有机液体电解质蒸发泄漏引起的安全性问题。可以使用不易燃且稳定的固体电解质来解决这些问题。

优良的固态电解质不仅需要高锂离子传导性，还需要良好的化学和电化学稳定性，空气稳定性及与锂金属的相容性和高机械强度。固态锂氧电池中已经使用了几种固体电解质，包括聚合物电解质(PEO)和无机固体电解质(LLZO，LATP，LAGP)。无机固态电解质磷酸钛铝锂LATP具有较高的锂离子传导率、机械稳定性、热稳定性等。但是，无机固态电解质LATP与锂金属物理接触不良，导致高界面阻抗。另外，锂金属易于LATP发生副反应，差的界面稳定性进一步增大界面阻抗。除了锂负极和固态电解质界面问题，固态电解质和正极界面也存在严重的问题，二者差的物理接触导致有限的接触面积和活性位点。锂金属和LATP陶瓷固体电解质的物理接触性和界面润湿性差，导致较大的界面电阻和不均匀的电流分布。而且，在循环期间由锂金属阳极的体积变化产生的应力使性能劣化。

因此，如何设计一种更适宜的固态锂氧气电池，在解决金属-空气电池的界面稳定性问题的同时，还能进一步提高金属空气电池的电化学性能，已经成为该领域内众多前沿科研人员广为关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种复合固态电解质-正极复合材料及其制备方法、锂氧气电池。特别是一种可提高锂金属负极和无机固态电解质界面稳定性的复合固态电解质-正极复合材料。本发明直接在无机固态电解质上形成复合固态电解质，而且采用了固态电解质-多孔正极一体化结构，提高了电解质的电化学稳定窗口，有效增加了锂负极与固态电解质的界面接触和稳定性。

本发明提供了一种复合固态电解质-正极复合材料，包括多孔-致密-多孔骨架材料；

复合在多孔-致密-多孔骨架材料一侧的多孔层中的固体电解质；

复合在多孔-致密-多孔骨架材料另一侧的多孔层中的正极材料；

所述骨架材料包括固态电解质骨架材料。

优选的，所述多孔-致密-多孔骨架材料具有依次复合的多孔层、致密层和多孔层；

所述骨架材料包括陶瓷固体电解质材料和/或固体聚合物电解质材料；