【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能材料，涉及一种锂与固态电解质的界面键合层、界面键合方法及应用。
技术介绍
1、固态金属锂电池作为储能技术，因其高能量密度、优良的安全性和长循环寿命而受到广泛关注。与传统液态电池相比，固态金属锂电池采用固态电解质，显著降低了漏液和燃烧的风险，解决了许多传统电池的安全隐患。
2、然而，这一技术的商业化进程仍面临诸多挑战，其中固态电解质与金属锂界面的不稳定性尤为关键。在固态金属锂电池中，固态电解质通常包括nasicon型氧化物、石榴石型、硫化物和卤化物等多种材料。每种固态电解质在与金属锂接触时，都可能出现不同形式的界面不稳定问题。例如，(1)nasicon型氧化物固态电解质与锂金属接触时，容易发生化学反应，生成不导电的锂化合物，从而降低电池的整体性能。此外，锂金属在充放电过程中体积变化显著，可能引发机械应力，导致界面裂纹的形成，进一步影响离子导电性。(2)石榴石型固态电解质因其优良的离子导电性而受到青睐，但其与金属锂的界面阻抗相对较高，这直接影响了电池的循环性能和能量效率。研究发现，随着温度的升高，石榴石型电解质可能与锂金属发生相变，导致界面不稳定，进而加速电池性能的衰退。(3)硫化物固态电解质的导电性通常较好，但在高温下可能与锂金属发生反应，生成低导电性的锂硫化物，影响电池的电导率。此外，锂金属在硫化物电解质界面的腐蚀问题亟待解决，这种腐蚀不仅会导致界面劣化，还可能引发电池的循环不稳定。(4)卤化物固态电解质，如氯化物和碘化物，在与金属锂接触时同样面临化学不稳定性的问题。它们可能在电池工作过程中与锂金属
3、因此，固态金属锂电池的发展潜力巨大，但其界面不稳定性问题仍是制约其商业化应用的瓶颈。深入研究固态电解质与金属锂之间的界面交互作用，将为固态电池的未来发展铺平道路，实现高性能、安全可靠的储能解决方案。
技术实现思路
1、本专利技术针对固态金属锂电池面临固态电解质与金属锂界面不稳定性的问题，提供了一种普适的金属锂与固态电解质界面键合方法和固态锂电池应用，包括通过磁控溅射在固态电解质基体材料表面沉积键合层，键合层由锡铅合金、锡银铜三元合金等材料组成。固态电解质可为nasicon型、石榴石型、硫化物或卤化物。键合过程在70℃、200mpa压力下进行，适用于固态锂对称电池或固态锂金属全电池的制备。该方法具有普适性，该方法显著提高了电池的界面稳定性，减少了界面阻抗，从而有效提升了电池的能量密度和循环寿命。此外，界面键合层的改性和增强技术进一步优化了电池的离子传导性，改善了整体电化学性能，使得固态金属锂电池具备更好的安全性和高效能。
2、本专利技术解决技术问题所采取的技术方案是：一种锂与固态电解质的界面键合层，所述界面键合层为通过射频磁溅射法将键合层合金沉积在固态电解质基体材料的表面形成的键合层；键合层合金包括：锡铅合金、锡银铜三元合金、锡银合金、锡铜合金、伍德合金；固态电解质包括：nasicon型氧化物固态电解质、石榴石型固态电解质、硫化物固态电解质、卤化物固态电解质；界面键合层是通过射频磁溅射法将键合层合金沉积在固态电解质基体材料的一侧或两侧表面形成的键合层。该键合层中的成分与锂具有一定的溶解度，可以与锂形成二元或多元合金。这种合金不仅能够有效地将固态电解质与金属锂负极键合在一起，改善固态电解质与金属锂负极的界面物理接触行为，还能通过调节界面特性来诱导金属锂的核生长，促进其均匀沉积。这一过程有助于抑制锂枝晶的形成，从而降低了锂枝晶对固态电解质造成的破损和失效风险。通过这种优化的界面键合技术，不仅提高了电池的安全性和稳定性，还增强了其电化学性能，延长了循环寿命。
3、界面键合层的厚度为0.5～5μm。界面修饰层的厚度会对电池性能产生影响，过厚的界面修饰层会增大界面的阻抗，即增加锂离子的传输阻力，过薄的界面修饰层，在电池的充放电过程中容易损坏失效，因而需要兼顾上述两者，选取最优的厚度。
4、优选的，所述nasicon型固态电解质包括：li1+xalxti2-x(po4)3(x＝0.3～0.5)和li1+xalxge2-x(po4)3(x＝0.3～0.5)；石榴石型固态电解质包括：li7la3zr2o12，li3+xla2/3-xtio3，li5la3nb2o12和li6.25la3zr1.75ta0.25o12；硫化物固态电解质包括：li2s-p2s5，li10gep2s12，li7p3s11和li2s-sb2s3；卤化物固态电解质包括：li3mx6(m＝y，er，sc，in，x＝f，cl，br)和li2mcl6(m＝zr，cd，ti)。
5、更优的，所述界面键合层的组合方式包括：li1+xalxti2-x(po4)3固态电解质和锡铅合金键合层组合、li7la3zr2o12固态电解质和锡银铜三元合金键合层组合、li2s-p2s5固态电解质和锡铅合金键合层组合、li3mx6固态电解质和伍德合金键合层组合、li2mcl4固态电解质和锡铜合金键合层。在不同固态电解质表面制备键合层时，可以将多个键合层所含金属均作为靶材进行共溅射，或者是将一个键合层合金金属制备成合金靶材进行溅射。
6、优选的，所述锡铅合金的成分比为：sn/pb＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、锡银铜三元合金的成分比为：sn/ag/cu＝x/y/(1-x-y)，x＝0～0.1，y＝0～0.1、锡银合金的成分比为：sn/ag＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、锡铜合金的成分比为：sn/cu＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、伍德合金的成分比为:pb/sn/bi/cd，(0～0.25)/(0～0.125)/(0～0.5)/(0～0.125)。
7、本专利技术还公开一种锂与固态电解质的界面键合方法，所述界面键合方法用于制备上述的界面键合层，界面键合方法包括以下步骤：
8、步骤s1、将固态电解质基体材料表面去除杂质并抛光；
9、步骤s2、以键合层合金作为靶材，在步骤s1中抛光后的固态电解质基体材料上进行溅射沉积形成界面键合层；
10、步骤s3、将金属锂负极与附有键合层的固态电解质在70-150℃，压力为50～200mpa下键合；
11、界面键合方法的溅射条件包括：本底真空度0.1×10-4～9.9×10-4pa，工作气压为0.30～0.55pa，键合层合金作为靶材的纯度≥99.99％。
12、优选的，所述界面键合方法的靶极距为8～12cm，溅射功率70～90w，溅射温度20～30℃，样品盘传送速度为0.5～1cm/s，溅射时间为10～30min。
13、优选的，所述界面键合方法的靶极距为8～12cm，溅射功率70～90w，溅射温度20～30℃，样品盘传送速度为0.5～1cm/s，溅射时间为10～30min。
14、本专利技术还公开一种锂与固态电解质界面键合层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述界面键合层为通过射频磁溅射法将键合层合金沉积在固态电解质基体材料的表面形成的键合层；所述键合层合金包括：锡铅合金、锡银铜三元合金、锡银合金、锡铜合金、伍德合金；所述固态电解质包括：NASICON型氧化物固态电解质、石榴石型固态电解质、硫化物固态电解质、卤化物固态电解质；
2.根据权利要求1所述的一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述NASICON型固态电解质包括：Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(x＝0.3～0.5)和Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(x＝0.3～0.5)；所述石榴石型固态电解质包括：Li7La3Zr2O12，Li3+xLa2/3-xTiO3，Li5La3Nb2O12和Li6.25La3Zr1.75Ta0.25O12；所述硫化物固态电解质包括：Li2S-P2S5，Li10GeP2S12，Li7P3S11和Li2S-Sb2S3；所述卤化物固态电解质包括：Li3MX6(M＝Y,Er，Sc，In，X＝F，Cl，Br)和Li2MCl6(M＝Zr，Cd，Ti)。
3.根据权利要
4.根据权利要求1所述的一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述锡铅合金的成分比为：Sn/Pb＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、所述锡银铜三元合金的成分比为：Sn/Ag/Cu＝x/y/(1-x-y)，x＝0～0.1，y＝0～0.1、所述锡银合金的成分比为：Sn/Ag＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、所述锡铜合金的成分比为：Sn/Cu＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、所述伍德合金的成分比为：Pb/Sn/Bi/Cd，(0～0.25)/(0～0.125)/(0～0.5)/(0～0.125)。
5.一种锂与固态电解质的界面键合方法，其特征在于，所述界面键合方法用于制备权利要求1至4中任一权利要求所述的界面键合层，所述界面键合方法包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种锂与固态电解质的界面键合方法，其特征在于，所述界面键合方法的靶极距为8～12cm，溅射功率70～90W，溅射温度20～30℃，样品盘传送速度为0.5～1cm/s，溅射时间为10～30min。
7.根据权利要求5所述的一种锂与固态电解质的界面键合方法，其特征在于，所述界面键合方法的靶极距为8～12cm，溅射功率70～90W，溅射温度20～30℃，样品盘传送速度为0.5～1cm/s，溅射时间为10～30min。
8.一种锂与固态电解质界面键合层的应用，其特征在于，所述应用采用权利要求1至4中任一权利要求所述的界面键合层，所述应用包括将界面键合层用于制备锂电池，所述锂电池包括：固态锂对称电池、固态锂金属全电池。
9.根据权利要求8所述的一种锂与固态电解质界面键合层的应用，其特征在于，所述锂电池为固态锂对称电池时，界面键合层沉积在固态电解质基体材料的两侧表面，后通过热压键合的方法将金属锂负极键合在电解质两侧，于电池壳中制备得到固态锂对称电池。
10.根据权利要求8所述的一种锂与固态电解质界面键合层的应用，其特征在于，所述锂电池为固态锂金属全电池时，界面键合层沉积在固态电解质基体材料的两侧表面，后通过热压键合的方法将金属锂负极键合在电解质一侧，另一侧匹配正极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述界面键合层为通过射频磁溅射法将键合层合金沉积在固态电解质基体材料的表面形成的键合层；所述键合层合金包括：锡铅合金、锡银铜三元合金、锡银合金、锡铜合金、伍德合金；所述固态电解质包括：nasicon型氧化物固态电解质、石榴石型固态电解质、硫化物固态电解质、卤化物固态电解质；
2.根据权利要求1所述的一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述nasicon型固态电解质包括：li1+xalxti2-x(po4)3(x＝0.3～0.5)和li1+xalxge2-x(po4)3(x＝0.3～0.5)；所述石榴石型固态电解质包括：li7la3zr2o12，li3+xla2/3-xtio3，li5la3nb2o12和li6.25la3zr1.75ta0.25o12；所述硫化物固态电解质包括：li2s-p2s5，li10gep2s12，li7p3s11和li2s-sb2s3；所述卤化物固态电解质包括：li3mx6(m＝y,er，sc，in，x＝f，cl，br)和li2mcl6(m＝zr，cd，ti)。
3.根据权利要求2所述的一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述界面键合层的组合方式包括：li1+xalxti2-x(po4)3固态电解质和锡铅合金键合层组合、li7la3zr2o12固态电解质和锡银铜三元合金键合层组合、li2s-p2s5固态电解质和锡铅合金键合层组合、li3mx6固态电解质和伍德合金键合层组合、li2mcl4固态电解质和锡铜合金键合层。
4.根据权利要求1所述的一种锂与固态电解质的界面键合层，其特征在于，所述锡铅合金的成分比为：sn/pb＝x/(1-x)，x＝0.3～0.7、所述锡银铜三元合金的成分比为：sn/ag/cu＝x/y/(1-x-y)，x＝0～0.1，y＝0～0...
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