[发明专利]一种带有硅负极和硫化物固体电解质的全固态电池

说明书

本发明涉及硅负极锂离子电池，公开了一种带有硅负极和硫化物固体电解质的全固态电池，其包括电芯，电芯包括负极、固体电解质层和正极，负极包括集流体和叠压固定于集流体侧面上的嵌锂层，嵌锂层由包括有硫化物电解质粉粒和含硅负极粉体的混合粉料压制而成，混合粉料中硅含量为40~53wt%，硫化物电解质粉粒的粒径为10~100 nm，含硅负极粉体的粒度为10~100 nm，嵌锂层的孔隙率为15~23%，嵌锂层可对含硅负极粉体脱嵌锂过程造成的膨胀/收缩做出自适应的调整，减少嵌锂层开裂粉化的可能，以及保证嵌脱硫层分别与集流体、固体电解质层的电接触稳定，由此减缓高硅负极固态电池容量衰减，提高高硅负极固态电池的循环性能。

技术领域

本发明涉及硅负极锂离子电池，特别涉及一种带有硅负极和硫化物固体电解质的全固态电池。

背景技术

硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料，其负极容量密度比石墨高十倍，是一种最有潜力的负极材料，此外硅还具有丰富的自然储量(地壳中第二丰富的元素)，对环境无害和低电化学势等优点。

然而当下的硅作为锂离子电池的负极材料，其仍然未得到普及应用，在商业化应用使用上还有限制。这种限制是由于硅本身性质导致的，主要分为两方面。

第一方面，硅作为锂离子电锂的负极材料时，每个硅原子可以承载约四个锂原子。这种嵌锂机制，使得嵌锂时Si转换到Li_4.4Si，体积膨胀约为440％。硅嵌锂/脱锂过程中，大体积膨胀/收缩产生较大的应力变化，硅发生破裂和粉碎，导致负极材料劣化，电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减，循环性能恶化。对此，当下技术中在石墨负极材料中掺入约10wt％的硅，以此构建硅碳复合负极材料，减缓负极体积膨胀收缩变化。但少量添加的硅对电池能量密度的提升的作用有限，较其他优势的负极材料而言，没有对硅材料高比容的优势进行充分开发，使得硅负极电池期商业化应用意义降低。

第二点，在硅表面导电性分布不均匀，如果不加任何处理，而在硅表面形成的SEI膜不均匀带孔隙，电解液始终能够接触到浸到硅的表面，使得SEI膜长得很厚，对锂离子电池耗锂量大且对全电池性能不利。此外，硅活性物质体积膨胀/收缩而粉化，比表面积增大，新生表面消耗电解液反应生成SEI，直至将电解液消耗完，电池失效。对此，当下技术中硅负极电池中使用液体的电解液，电解液的添加量需过量，但过量添加的电解液不仅是降低了电池的能量密度，而且其做起到的效果也仅仅是延后电池的失效时间。

故而现有的硅负极电池期望朝向商业化应用发展还需进一步改善循环稳定性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种带有硅负极和硫化物固体电解质的全固态电池，以硅负极和硫化物固体电解质，并配合固态电解质制得全固态电池，提高高硅负极的循环性能，减缓高硅负极的比容量衰减，得到循环性能好且高容量的全固定电池。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种带有硅负极和硫化物固体电解质的全固态电池，包括电芯，所述电芯包括负极、固体电解质层和正极，所述负极包括集流体和固定于集流体侧面的嵌锂层，所述嵌锂层由包括有硫化物电解质粉粒、含硅负极粉体、导电碳的混合粉料压制而成，所述混合粉料中硅含量为40～53wt％，所述硫化物电解质粉粒的粒径为10～100nm，所述含硅负极粉体的粒度为10～100nm，所述嵌锂层的孔隙率为15～23％。

通过采用上述技术方案，硫化物电解质粉粒和含硅负极粉体一同混合压制定型得到的嵌锂层，其中硫化物电解质粉粒贡献均匀的高离子导电性，含硅负极粉体贡献高比容量。

硫化物电解质粉粒具有一定变形量，其弹性模量显著高于液体电解质。嵌锂层中硅在嵌锂过程中发生膨胀时，嵌在含硅负极粉体之间的硫化物电解质粉粒受压压缩，可减缓含硅负极粉体膨胀增大嵌锂层乃至增大正极整体体积的影响。