[发明专利]一种固态电池用负极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种固态电池用负极及其制备方法和应用。所述负极包括层叠设置的集流体和储锂层，所述储锂层包括储锂空间层和包覆于储锂空间层的表面的聚合物电解质层，所述储锂空间层包括电子导体骨架、位于电子导体骨架空隙处的亲锂位点和填充于电子导体骨架空隙处的电解液。本发明在负极集流体表面构建用于沉积锂的储锂空间，通过亲锂位点诱导锂在预期位置沉积、储存，进而预防由于锂枝晶无序生长而造成的电池短路，并且通过包覆的聚合物电解质层，能够将沉积出的锂与固态电解质层隔离，进而避免了因为锂的沉积、剥离造成的体积变化对固态电解质层造成的机械损坏。

技术领域

本发明属于固态电池的技术领域，涉及一种固态电池用负极及其制备方法和应用。

背景技术

随着消费电子产品、电动汽车的迅速发展，对电池的能量密度、安全可靠性及使用寿命的需求不断飙升。锂金属具有极高的理论比容量(3860mAh/Kg)和最低的电位(-3.04V)，因此锂金属二次电池是下一代高能量密度储能器件的首选体系。固态电池具有能量密度高、无记忆效应等优点而受到研究人员的广泛关注。

在负极中不使用活性物质，而直接使锂沉积于负极侧形成金属锂，是无负极锂金属固态电池发展的一个方向。

然而，由于锂金属的反应活性很高，与固态电解质不稳定的现象一直存在，沉积的锂金属与固态电解质的反应会造成电池内部阻抗增大，影响电池的循环性能与倍率性能。另外固态电解质层中存在很多的空隙，在循环过程中很容易被锂枝晶刺穿，导致电池出现微短路，降低电池的循环寿命。另外，由于锂金属在充放电过程中会存在较大的体积膨胀、收缩现象，这就会对与其直接接触的固态电解质层造成机械破坏，最终使得电解质层由于机械应力而产生裂纹，对电池形成不可逆的破坏。

CN111403688A公开了一种锂离子固态电池锂负极，用磁控溅射沉积在金属锂片表面的第一缓冲层和涂覆在第一缓冲层上的第二缓冲层；第一缓冲层所用靶材为钛酸锂、锂镧锆钽氧、二氧化钛、二氧化锡、氧化亚硅、二氧化硅、氧化铁、金属铝、金属铟、金属钡或金属钙；所述第二缓冲层为高分子聚合物与无机颗粒的复合薄膜。在金属锂片表面通过磁控溅射沉积第一缓冲层，可以调控锂枝晶的沉积，改善锂离子固态电池的循环性能；第二缓冲层可以有效降低锂负极与氧化物电解质界面的阻抗。该文献所提供的方法虽然能够在负极侧的表面形成均匀的合金保护层，但由于物理沉积设备的限制，沉积的保护层厚度一般只能在纳米级别，一般不超过200nm，可造作性较差。且蒸镀、溅射等工艺操作时间较长，一般形成几十纳米的保护层需要数小时之久。这就限制了物理沉积手段的大规模应用。

CN110085868A公开了一种锂金属负极及其制备方法及制备全固态电池的方法。该锂金属负极包括铜箔包覆在铜箔外部的涂层，涂层由金属锂混合物涂覆获得，金属锂混合物由如下重量份数的组分组成：固体电解质A50～70份；溶剂20～40份；分散剂1～3份；粘结剂2～10份；锂粉；锂粉与固体电解质A的体积比为(5～10)：1；固体电解质A为粉体，包括聚合物固体电解质、无机固体电解质中的至少一种；溶剂包括甲苯、氯苯、四氢呋喃、己烷、乙腈、碳酸烯酯中的至少一种；锂粉的等体积当量直径为1～50μm。该文献中直接使用集流体作为锂沉积的位点，从而造成锂枝晶生长不受抑制、极易造成电池短路。

因此如何更加简单有效地抑制固态电池用负极中锂沉积过程中的锂枝晶生长现象，以减少电池短路，是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固态电池用负极及其制备方法和应用。本发明在负极集流体表面构建用于沉积锂的储锂空间，通过亲锂位点诱导锂在预期位置沉积、储存，进而预防由于锂枝晶无序生长而造成的电池短路，并且通过包覆的聚合物电解质层，能够将沉积出的锂与固态电解质层隔离，进而避免了因为锂的沉积、剥离造成的体积变化对固态电解质层造成的机械损坏。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：