[发明专利]一种基于锂硅合金负极具有双层电解质的高性能硫化物全固态电池

说明书

本发明提供一种基于锂硅合金负极具有双层电解质的高性能硫化物全固态电池，所述的全固态电池包括：锂硅合金负极极片、三元材料复合正极极片以及正负极片之间的双层结构设计的硫化物固态电解质。锂硅合金负极具有高比容量(＞3000mAh/g)，是作为全固态锂电池极佳的负极材料之一。双层结构设计的硫化物固态电解质设计既可以满足锂离子在电解质中的高效传输，也可以降低与合金负极之间的界面阻抗，提高硫化物固态电池的倍率性能和循环性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及新能源电池技术领域，具体地，涉及一种基于锂硅合金负极具有双层电解质的高性能硫化物全固态电池。

背景技术

基于硫化物固态电解质的超高室温离子电导率以及优异的力学性能，被视为固态电池实现商业化应用极具希望的技术方向之一。例如，硫银锗矿Li₆PS₅X(X:Cl,Br,I)离子电导率在10^-3～10^-2S/cm，富氯的硫银锗矿Li_6-xPS_5-x Cl电解质室温离子电导率在10.2mS/cm左右，电子电导率在3×10^-9S/cm，是非常有潜力的全固态电池电解质体系。向硫化物电解质中添加金属元素，可以提高电解质的离子电导率，如Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)电解质室温离子电导率12mS/cm，Li_6.6Ge_0.6P_0.4S₅I电解质室温离子电导率为18.4mS/cm。然而，硫化物全固态电池由于负极与电解质之间的界面稳定性瓶颈问题，容易导致负极锂枝晶、短路及电池失效。

基于硫化物固态电解质极易与锂硅合金负极产生高离子电导率、低阻抗的Li_xSiS_y层作为SEI膜，不仅可以抑制负极锂枝晶的产生，也可以避免负极因锂离子的嵌入与溢出导致的体积膨胀问题，具有高容量、合金化-退化合金化可能性好等优势，为解决全固态锂电池与负极之间的界面稳定性问题提供新的思路与方法。然而，锂硅合金负极具有较强的机械性能，而添加金属元素后的硫化物固态电解质虽然具有较高的离子电导率，但是其硬性也显著提高。合金负极与高机械强度的电解质刚性接触会极大的降低二者的接触面积，提高界面阻抗，抑制锂离子的有效传输。因此，提供一种双层结构电解质，其中电解质1为质地偏软的硫化物固态电解质，电解质2为质地偏硬的添加金属元素的质地偏硬的硫化物电解质，其中高比容量的锂硅合金与电解质1接触，电解质2与正极接触，其优势在于提高电解质的整体电导率，降低负极与电解质界面阻抗，有效提高固态电池的倍率性能，循环性能以及界面稳定性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于锂硅合金负极具有双层电解质的高性能硫化物全固态电池。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明提供一种基于锂硅合金负极具有双层电解质的高性能硫化物全固态电池，其特征在于，所述全固态电池包括锂硅合金负极极片3、三元材料复合正极极片2以及正负极片之间的双层结构设计的硫化物固态电解质。

优选的，所述负极极片包括锂硅合金以及与锂硅合金混合均匀的粘结剂和导电剂，所述锂硅合金包括Li_1.71Si、Li_3.75Si、Li_4.4Si合金中的一种。

优选的，所述正极极片包括三元活性材料5、第二电解质7以及导电剂4和粘结剂，所述三元活性材料5包括NCM111、NCM424、NCM523、NCM622、NCM811中的一种。

优选的，所述双层结构设计的硫化物固态电解质包括第一电解质6和第二电解质7，

所述第一电解质6为一层质地偏软的硫化物电解质；

所述第二电解质7为一层添加金属元素的质地偏硬的硫化物电解质。