[发明专利]锂金属固态电池的纳米合金中间相

说明书

提供一种用于固态锂电池的电极。该电极具有集电体和该集电体上的锂金属或锂金属合金的电极活性层。一种均质纳米合金颗粒组合物的表面层，其含有元素M的纳米颗粒或元素M的锂合金的纳米颗粒，其中M为选自第2族和第8‑16族的元素的至少一种元素，其存在于活性层上。提供含有该电极的固态电池。

技术领域

本公开涉及具有锂金属或锂合金负极和固态电解质的固态锂电池，其中锂纳米合金的中间相区域位于负极和电解质之间。

背景技术

无处不在的锂离子电池已成为社会不可或缺的一部分，这使得便携式电子设备(特别是手机和膝上型电脑)的革命成为可能。下一个时代将是电池融入交通运输和电网储存产业，从而进一步加剧社会对电池的依赖。现有技术的锂离子电池使用由溶解在碳酸酯基有机溶剂中的六氟磷酸锂盐组成的液体电解质。最近，越来越明显的是，无机固体电解质是可燃的且存在环境问题的液体电解质的优良替代品。

用固体锂离子导电相代替可燃有机液体电解质将缓解该安全问题，并且可提供其他优点，诸如改善的机械和热稳定性。固体锂离子导电相(通常称为固体锂离子导体或固态电解质)的主要功能为在放电过程中将Li⁺离子从负极侧传导到正极侧，并在充电过程中将Li⁺离子从正极侧传导到负极侧，同时阻止电子在电池内的电极之间直接传输。

此外，已知用非水电解质构成的锂电池在重复的放电和充电循环中形成从负极向正极突出的树枝状锂金属结构。如果和当这样的树枝状结构突出到正极并短路时，电池能量迅速释放并且可能引发非水电解质的有机溶剂的着火。

因此，人们对新型固态锂离子传导材料的发现有很大的兴趣和进行了很多努力。过去几十年的研究主要集中在离子导电氧化物上，诸如LISICON(Li₁₄ZnGe₄O₁₆)、NASICON(Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃)、钙钛矿(例如，La_0.5Li_0.5TiO₃)、石榴石(Li₇La₃Zr₂O₁₂)、LiPON(例如，Li_2.88PO_3.73N_0.14)以及硫化物，诸如Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁和LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂)。

使用锂金属负电极的电池可能是电池研究和开发中最感兴趣的，因为锂金属相对于标准氢电极具有3,860mAh/g的极高比容量和-3.04V的低还原电势。然而，由于这种低还原电位，当暴露于锂金属时，大部分材料会被还原。例如，当暴露于空气(即，H₂O、CO₂、N₂和O₂)中时，锂金属立即被表面上的锂盐(诸如Li₂CO₃、Li₃N、LiOH和Li₂O)层损害。暴露于液体电解质(例如，碳酸酯)的锂金属形成含有有机和无机物质的混合物的层。固体电解质略好一些，并且大部分与锂反应形成由锂和构成固体电解质的其它元素组成的盐。

例如，与锂接触的硫代磷酸锂固体电解质分解为Li₂S和Li₃P[R Garcia-Mendez,FMizuno,R Zhang,TS Arthur,J Sakamoto,Electrochimica Acta,vol 237,pg.144-151(2017)]。当与Li金属接触时，硫代磷酸锂中的磷会被还原，如下所示(J.Mater.Chem.A,2016,4,3253-3266)。