一种界面浸润的准固态碱金属电池，包括正极层、负极层和电解质层，其中电解质层为固体电解质，正极层和/或负极层中包含电极活性物质和界面浸润添加剂，所述界面浸润添加剂在工作温度范围内为液态，能够传导离子，并能够浸润电极活性物质和固体电解质。以及一种界面浸润的准固态碱金属电池的电极以及所述电池的制备方法。本发明专利技术的准固态碱金属电池具有高的安全特性、宽的电压窗口并且能够在宽的温度范围内工作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种碱金属电池，尤其是一种界面浸润的准固态碱金属电池、电池电 极及电池制备方法。
技术介绍
近年来随着移动通信设备、电动汽车的发展，以及电网储能及小型储能需求的发 展，开发能够在宽的温度范围使用、具有高安全性、高的能量密度及功率密度的电池十分关 键。 在各种商业化可充放电化学储能装置中，锂离子电池拥有最高的能量密度（例 如参见文献 Zu，C.-X. and H. Li，"Thermodynamic analysis on energy densities of batteries，'，Energy&Environmental Science 4(8) :2614_2624,2011)。现有的商用锂离子 电池主要包含两种类型，一种是采用液态电解质的锂离子电池，另外一种是采用凝胶电解 质的锂离子电池。液态电解质是锂盐溶于有机溶液中，并包含添加剂。锂盐为LiPF6、LiC104、 LiBF4等；有机溶剂为环状碳酸酯（EC、PC)、链状碳酸酯（DEC、DMC、EDC)和羧酸酯类（MF、M、 EA、MP等）溶剂。凝胶电解质是在多孔的聚合物基体中吸附电解液形成的电解质。与液体 电解液相同，凝胶电解质中的电解液起到离子传导及在负极表面形成稳定的固体电解质层 (SEI)的作用。但凝胶型电解质中电解液的含量相对较少，因此凝胶型电解质电池的安全 性能会显著提高（例如参考文献 Tarascon，J._M. and M.Armand，"Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries"，Nature 414(6861) :359-367,2001)。 现有的液态电解质的锂离子电池与凝胶电解质的锂离子电池都采用有机电解质 作为离子传输的主体，有机液体电解质拥有较高的离子电导率，能够有效的浸润电极颗 粒，并能够在碳电极表面形成稳定的固体电解质膜（SEI)。因此现有商用锂离子电池具有 低的电池内阻及循环稳定性。但有机液体电解质低温电导率会显著下降，并且易挥发，易 燃。因此当温度降低时电池内阻会显著增大，无法满足低温条件下的应用要求。当温度升 高时，电解液挥发，也会使电池内阻增大电池性能变差，电解液易燃，还会造成电池起火爆 炸等安全问题。另外液体电解液在低电位会被还原在负极表面形成固体电解质膜，造成电 池充放电库仑效率较低。另外由于目前商用锂离子电池电解液体系中一般采用LiPF6作 为电解质盐，LiPF6热稳定性差，并且与水反应会生成HF，造成电池性能劣化。目前常用有 机电解液体系电化学窗口有限，限制了锂离子电池的工作电压的进一步提高。因此限制了 输出的能量密度及功率密度（例如参考文献Xu，K.，"Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries，'， Chemical reviewsl04(10) :4303-4418, 2004)。 综上所述，液态电解质电池、凝胶电解质电池，由于含有易燃的有机溶剂，在常温 下具有优异的电池内阻及循环寿命，但存在着低温电池内阻较大，电池性能差；高温电解液 挥发，电池易燃，安全性能较差；首周库伦效率低；电池生产环境要求苛刻，生产成本高；电 池输出电压有限，限制了输出的能量密度及功率密度等问题。 为了克服现有商业锂离子电池所面临的问题，诸多研究机构在大力发展固体电解 质的锂离子电池。相对于液体电解质，固体电解质不挥发，不可燃。因此采用固体电解质 的固态电池会具有优异的安全性。此外由于固体电解质能在宽的温度范围内保持稳定，因 此固态电池能够在宽的温度范围内工作。大多数固体电解质对水分不敏感，能够在空气中 长时间保持良好的化学稳定性，因此固态电池的制造流程不需要惰性气氛的保护，降低了 电池的制造成本。此外固体电解质具有很宽的电化学窗口，因此固体电池能够应用更高电 压的电极材料从而提高电池能量密度。相对于多孔的凝胶电解质及浸润液体电解液的多 孔隔膜，固体电解质致密，并具有很高的强度及硬度，能够有效的阻止锂枝晶的刺穿，因此 提高了电池的安全性。综上，采用固体电解质的电池，可能具有优异的安全性、良好的循环 特性及更高的能量密度（例如参考文献Kevin S. Jones, N.G.R.，Isaiah Oladeji，Roland Pitts, Richard Fox, "The state of solid state battery，'，American Ceramic Society Bulletin 91(2),2013)〇 固体电解质包括无机固体电解质、聚合物固体电解质以及复合电解质。无机固体 电解质是一类具有较高离子传输特性的无机快离子导体材料，其具有良好的机械强度，能 够阻止锂枝晶穿透电解质造成内短路。可以采用原子层沉积、磁控溅射、流延成型、陶瓷烧 结等方法制备成不同厚度、不同形状的电解质层。固态聚合物电解质是采用锂盐与聚合物 复合形成的聚合物质的电解质材料。其在玻璃化转变温度以上具有较高的电导率，并具有 良好的柔韧性及拉伸剪切性能，能够制备成柔性可弯折电池（例如参考文献Fergus，J. W.， "Ceramic and polymeric solid electrolytes for lithium-ion batteries，'，Journal of Power Sources 195(15) :4554-4569,2010)。 根据采用电解质的不同，全固态电池主要包括无机固体电解质的全固态电池、聚 合物全固态电池。无机固体电解质在较宽的温度范围内具有良好的离子传导性能及电化学 稳定性，无机固体电解质基的全固态电池能够在宽的温度范围内工作；但无机电解质与电 极的界面电阻较大，电池的倍率性能、循环性能、低温性能等较差。较大界面电阻的产生主 要源于四方面的原因：（1)离子在电解质与电极材料界面处存在较大的跃迁势垒，离子的 跃迁较困难；（2)无机电解质的粉体与陶瓷材料形变性能较差，因此无机电解质与无机电 极材料的接触面积较小，造成界面电阻会较大；（3)无机电解质材料与电极材料在电池制 备或电池循环过程中，会发生元素在界面处的互扩散，形成低离子电导的中间层，阻塞了离 子的迁移；(4) 一般锂离子电池正负极材料在充放电过程中可能发生体积膨胀收缩，采用 固体电解质时电解质和电极的接触会逐渐变差。 聚合物具有良好的拉伸及剪切性能，因此全固态电池可以制备成多种形状的柔性 及可形变的电池。但由于聚合物电解质只有在玻璃化转变温度以上才有较高的离子电导 率，因此聚合物电池的工作温度有限，另外目前常用的与金属锂稳定的ΡΕ0聚合物电解质， 电化学窗口较窄，因此ΡΕ0聚合物的全固态电池不能采用高电压电极材料，限制了电池的 输出电压及能量密度。此外由于聚合物电解质在长期使用过程中会逐渐析晶，导致电解质 电导率下降，因此聚合物全固态电池的循环性能较差。此外，对于无机固体电解质的全固态 电池及聚合物全固态电池，由于电极材料在充放电过程中会发生体积的收缩与膨胀，从而 造成电极活性物质颗粒与导电集流体及电解质材料的接触变差本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种界面浸润的准固态碱金属电池的电极，所述电极为正极层和/或负极层电极，包含有电极活性物质和界面浸润添加剂，所述界面浸润添加剂在工作温度范围内为液态，能够浸润所述电极活性物质。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王少飞，张舒，吴娇杨，李泓，陈立泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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