一種全固態鋰電池制造技術

本發明專利技術提供一種全固態鋰電池，包括正極、負極以及位于正極和負極之間的固態電解質，其特征在于，所述固態電解質中的主要成分為LiM

An all solid state lithium battery

The invention provides an all solid state lithium battery, comprising an anode, a negative electrode and a solid electrolyte between the anode and the cathode, characterized in that the main component of the solid electrolyte is LiM

【技術實現步驟摘要】
一種全固態鋰電池
本專利技術屬于動力電池領域，具體涉及一種全固態鋰電池。
技術介紹
近年來為應對全球不可再生能源石油儲量的日益減少以及全球溫室氣體的持續攀升，保護人類賴以生存的自然資源和自然環境，各國紛紛將發展新能源以及新能源汽車作為國家發展的重要戰略選擇。鋰離子電池作為一種重要的儲能裝置，因其具有工作電壓高、能量密度大、自放電小、循環壽命長、使用溫度范圍寬、無記憶效應、安全性能突出等優點，已經廣泛的應用于照相機、移動電話、筆記本電腦等傳統小型電池領域，并且正向著大型化的電動車用動力電池以及風能和太陽的儲能電池方向發展，這對其安全性能提出了更大的挑戰。傳統商用鋰離子電池主要采用含有易燃有機溶劑的液體電解質，存在嚴重的安全隱患，當鋰離子電池因為任何原因短路時，電池內能量會在短時間以熱的形式釋放出來，就可能發生起火甚至爆炸等嚴重的安全事故。此外，電解液與電極材料會發生副反應，導致電池容量出現不可逆轉的衰減，同時也會帶來脹氣、漏液等問題。目前，諸多研究者主要采用在電解液中加入添加劑等方式對有機電解液進行改進，以期解決液態鋰離子電池的安全性問題。這雖取得了一些成果，但不能從根本上解決動力電池的安全性問題。這些問題的存在限制了鋰離子電池的使用，也成為了其將來在動力電池和大容量儲能應用方面的巨大障礙。為了徹底解決鋰離子電池安全性問題，一種全新的鋰離子電池——全固態鋰電池進入了人們的視線。相對于傳統的液態鋰電池，固態鋰電池以固體電解質取代傳統液體有機電解液，能夠克服由于液態電解液導致的安全性能低、循環壽命短、工作溫度范圍窄等問題。固態電解質除了傳導鋰離子，也充當隔膜的角色，所以理想的鋰離子固體電解質應具有良好的離子電導率、極低的電子電導率、極小的晶界電阻，且化學穩定性好，熱膨脹系數與電極材料相匹配，電化學分解電壓高。NASICON(sodiumsuperionconductors)結構類型快離子導體是一類被廣泛研究的固體電解質材料，這類化合物的分子式一般為M[A2B3O12]，其中M、A、B分別代表一價、四價和五價的陽離子，其骨架結構是由AO6八面體與BO4四面體共同形成，屬于空間點群。在這種結構中，M+導電離子可以占據兩種填隙位置，即MI八面體空隙和MII四面體空隙。由于MI位的勢能比MII位低，故MI位被M+全部占滿，通常MII位則未被占據，所以，在NASICON結構中，M+離子的遷移路徑有兩種：一種是通過MIMII瓶頸的MI→MII躍遷，另一種是通過MIIMII瓶頸的MII→MII躍遷。直接取代得到的Li3Zr2Si2PO12是一種鋰離子電池固體電解質，但是由于Na3Zr2Si2PO12結構中原本適合Na+遷移的傳輸通道尺寸相對Li+太大，不適合Li+的遷移，所以鋰離子電導率很低，較Na3Zr2Si2PO12的鈉離子電導率低約三個數量級。通過用不同大小的離子對結構骨架離子進行取代，進而改變傳輸通道尺寸，可以使鋰離子電導率得到提升。其中，Zr4+可以被Ti4+、Ge4+、Hf4+、V5+或Sc3+取代，取代后的化合物仍具有NASICON結構，而材料的鋰離子電導率得到大幅度提高。一般認為，制約全固態鋰電池性能的關鍵因素有兩方面：一是無機固體電解質材料本身的離子電導率，二是全固態鋰電池中的界面。經過大量的研究，目前已經能夠制備出與液體電解質相媲美的高室溫導電率的固體電解質，但固體電解質與正極材料的界面處仍具有較高的阻抗，存在明顯的晶界效應，是限制固態鋰電池性能的主要因素。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種全固態鋰電池，能夠降低界面電阻，使得全固態鋰電池的綜合性能得到提升。本專利技術的技術方案是：一種全固態鋰電池，包括正極、負極以及位于正極和負極之間的固態電解質，其特征在于，所述固態電解質中的主要成分為LiM2(PO4)3基化合物，所述正極中的主要成分為Li3V2(PO4)3基化合物和LiM2(PO4)3基化合物，其中M＝Ge、Ti、Hf、Al、Si、V、Sc或Zr中的一種或幾種；所述Li3V2(PO4)3基化合物和LiM2(PO4)3基化合物均為NASICON結構。該技術方案通過固體電解質和正極采用結構相同的NASICON化合物，構建出結構匹配的固體電解質與正極材料，因而鋰離子在二者之間不會存在較大的電化學勢差，這使得固體電解質和正極材料的界面電阻得到極大的改善；同時由于結構相同，鋰離子在充放電過程中的遷移通道的晶體結構一致，更有利于鋰離子的遷移，極大的降低了界面電阻，使得全固態鋰電池的綜合性能得到提升。進一步的，上述LiM2(PO4)3基化合物為Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(簡稱LATP)或Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(簡稱LAGP)，其中0≤x≤1。Li1+xAlxTi2-x(PO4)3或Li1+xAlxGe2-x(PO4)3的不僅安全性高，且改變了晶格中鋰離子遷移通道的大小，對晶粒離子電導率的提高有利，Li1+xAlxGe2-x(PO4)3在1.0-6.0V間還具有更穩定的電化學性能，電化學窗口范圍更大。進一步的，上述LiM2(PO4)3基化合物為Si或B或Fe摻雜的化合物，摻雜改變了晶格中鋰離子遷移通道的大小，提高離子電導率，提高電池的整體性能。進一步的，上述Li3V2(PO4)3基化合物為C包覆的Li3V2(PO4)3基活性物質。采用C包覆的Li3V2(PO4)3基活性物質，可以進一步提高材料的電子電導率，同時抑制釩在電解液中的溶解。進一步的，上述正極還包括導電劑。加了導電劑，構建電子導電網絡，可以提高正極活性成分之間及活性成分與集流體之間的電子導電性。進一步的，上述導電劑為導電炭黑(包括superP、SP-Li、科琴黑、乙炔黑等)、導電石墨(包括KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15等)、石墨烯、碳纖維、碳納米管或者富勒烯中的一種或幾種。進一步的，所述正極中的Li3V2(PO4)3基化合物和LiM2(PO4)3基化合物的質量比為9:(1～9)。過高的電解質含量，降低電池的能量密度，過低的電解質含量則電池的界面阻抗大，電池極化較大，影響材料的容量發揮。進一步的，上述導電劑的含量為Li3V2(PO4)3基化合物和LiM2(PO4)3基化合物質量之和的1～10％。導電劑含量過低，電子導電差；含量過高，能量密度降低。進一步的，上述固態電解質為厚度為50～500微米的片狀結構，該厚度的片狀固態電解質既可以充當隔膜的角色，又能有效傳導鋰離子。該技術方案具有以下有益的技術效果：1)該技術方案通過采用同為NASICON結構的固體電解質和正極，構建出結構匹配的固體電解質與正極材料，因而鋰離子在二者之間不會存在較大的電化學勢差，這使得固體電解質和正極材料的界面電阻得到極大的改善；同時由于結構相同，鋰離子在充放電過程中的遷移通道的晶體結構一致，更有利于鋰離子的遷移，極大的降低了界面電阻，使得全固態鋰電池的綜合性能(如循環性能、充放電性能等)得到提升。2)該技術方案通過采用同為NASICON結構的固體電解質和正極，避免了電解液的氧化分解的同時，也提高了鋰電池的工作電壓區間，可以進一步提高鋰電池的能量密度。目前成熟商用的鋰電池中液態電解液的抗分解電壓一般小于4.5V，雖然有各種高電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全固態鋰電池，包括正極、負極以及位于正極和負極之間的固態電解質，其特征在于，所述固態電解質中的主要成分為LiM

【技術特征摘要】
1.一種全固態鋰電池，包括正極、負極以及位于正極和負極之間的固態電解質，其特征在于，所述固態電解質中的主要成分為LiM2(PO4)3基化合物，所述正極中的主要成分為Li3V2(PO4)3基化合物和LiM2(PO4)3基化合物，其中M＝Ge、Ti、Hf、Al、Si、V、Sc或Zr中的一種或幾種；所述Li3V2(PO4)3基化合物和LiM2(PO4)3基化合物均為NASICON結構。2.根據權利要求1所述的全固態鋰電池，其特征在于，所述LiM2(PO4)3基化合物為Li1+xAlxTi2-x(PO4)3或Li1+xAlxGe2-x(PO4)3，其中0≤x≤1。3.根據權利要求1或2所述的全固態鋰電池，其特征在于，所述LiM2(PO4)3基化合物為Si或B或Fe摻雜的化合物。4.根據權利要求1或2所述的全...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王進超，劉愛芳，李磊，劉永飛，其他發明人請求不公開姓名，
申請(專利權)人：寧波力賽康新材料科技有限公司，蘇州威星能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江,33