金属界面层的制备方法及固态锂金属电池

本申请涉及固态电池，尤其涉及一种金属界面层的制备方法及固态锂金属电池。

背景技术：

1、固态锂金属电池(核心结构为正极、固态电解质和负极，负极为金属锂)具有安全性高、能量密度高、循环性能好、使用寿命长以及倍率性能好等优点，是最具潜力替代现有高能量密度锂离子电池的电池类型。但是，固态锂金属电池在低压力下无法保证良好的界面接触，应力和电场容易集中而诱导锂枝晶刺穿固态电解质，导致电池短路和失效。然而，在过高的压力下，锂金属蠕变会导致锂金属向固态电解质内侵入，导致短路和失效。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提出一种金属界面层的制备方法，以提高固态锂金属电池的压力适用范围，促进固态锂金属电池在高压力范围内的应用。

2、另，还有必要提供一种包括上述金属界面层的固态锂金属电池。

3、本申请一实施方式提供一种金属界面层的制备方法，所述金属界面层形成于固态锂金属电池内，所述固态锂金属电池包括正极、固态电解质和负极。所述制备方法包括如下步骤：

4、在所述固态电解质的表面制备金属层，所述金属层包括纳米金属颗粒，所述纳米金属颗粒包括钼、钨、钛、铬、镍、钴、锆、铁、铌中的一种或多种；其中，所述金属层可为金属单质及其化合物、金属合金等，化合物可为但不限于mos2、tin；

5、在所述金属层上压合所述负极并加热，使所述金属层与所述负极发生原位氧化还原反应，生成所述金属界面层。

6、一种实施方式中，所述金属界面层的厚度小于或等于2μm。

7、一种实施方式中，所述纳米金属颗粒的粒径小于或等于500nm。

8、一种实施方式中，所述加热的温度为200℃～400℃，时间为1min～10min。

9、一种实施方式中，在所述固态电解质的表面制备金属层的方法包括旋涂、物理气相沉积、化学气相沉积或磁控溅射。

10、一种实施方式中，所述固态电解质包括钙钛矿型、nasicon型、石榴石型、卤化物型、硫化物型中的一种或多种。

11、一种实施方式中，所述固态电解质包括li6.4la3zr1.4ta0.6o12、li7la3zr2o12、li1.5al0.5ge1.5(po4)3、li2s-p2s5、thio-lisicon、li6ps5cl、lipon、lisicon中的一种或多种。

12、一种实施方式中，所述正极包括正极活性物质。所述正极活性物质为lifepo4、licoo2、linio2、limn2o4、li3v2(po4)3、li3v3(po4)3、livpo4f、li2cuo2、li5feo4、tis2、v2s3、fes、fes2、tio2、cr3o8、v2o5、mno2、licoxni1-x-yalyo2、lifepmnqx1-p-qo4、li1+sl1-p-qmpnqo2和liysr中的一种或多种。其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，-0.1≤s≤0.2，1≤r≤2.5；x为al、mg、ga、cr、co、ni、cu、zn或mo的至少一种，l、m、n各自独立地为li、co、mn、ni、fe、al、mg、ga、ti、cr、cu、zn、mo、f、i、s和b中的至少一种，y为ti、fe、ni、cu、mo中的至少一种。

13、一种实施方式中，所述负极可为但不限于锂金属箔片或锂合金箔片，所述负极的厚度为20μm～400μm。所述锂合金箔片可为但不限于li-al合金片、li-cu合金片、li-ba合金片、li-ca合金片、li-in合金片、li-sn合金片、li-ag合金片和li-mg合金片中的任一种。

14、本申请还提出一种固态锂金属电池，其包括正极、固态电解质、负极以及形成在所述固态电解质和所述负极之间的金属界面层。所述金属界面层由上述的制备方法制得。

15、本申请通过在固态电解质|负极界面上形成一层不溶于锂金属或不与锂金属发生合金化反应且具有高硬度的金属界面层，所述高硬度的金属界面层在高的外部压力条件下也不容易发生变形，可以阻挡锂金属蠕变和塑性变形导致的向固态电解质内部的渗透和短路。所述金属界面层内的上述纳米金属颗粒(钼、钨、钛、铬、镍、钴、锆、铁、铌等金属单质或其合金)不会与锂金属发生合金化导致在循环过程中向锂金属内部扩散，压力下不容易变形。此外，所述金属界面层内含有的纳米金属颗粒不仅可以提高和锂金属负极的相容性，抑制界面副反应，还因为纳米金属颗粒具有高离子导电特性，因此可以使负极侧的锂均匀沉积，减小极化，抑制锂枝晶的生成，进而能提高固态锂金属电池的电化学性能。

技术特征：

1.一种金属界面层的制备方法，所述金属界面层形成于固态锂金属电池内，所述固态锂金属电池包括正极、固态电解质和负极，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属界面层的厚度小于或等于2μm。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米金属颗粒的粒径小于或等于500nm。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热的温度为200℃～400℃，时间为1min～10min。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述固态电解质的表面制备金属层的方法包括旋涂、物理气相沉积、化学气相沉积或磁控溅射。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固态电解质包括钙钛矿型、nasicon型、石榴石型、卤化物型、硫化物型中的一种或多种。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述固态电解质包括li6.4la3zr1.4ta0.6o12、li7la3zr2o12、li1.5al0.5ge1.5(po4)3、li2s-p2s5、thio-lisicon、li6ps5cl、lipon、lisicon中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述正极包括正极活性物质，所述正极活性物质包括lifepo4、licoo2、linio2、limn2o4、li3v2(po4)3、li3v3(po4)3、livpo4f、li2cuo2、li5feo4、tis2、v2s3、fes、fes2、tio2、cr3o8、v2o5、mno2、licoxni1-x-yalyo2、lifepmnqx1-p-qo4、li1+sl1-p-qmpnqo2和liysr中的一种或多种；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，-0.1≤s≤0.2，1≤r≤2.5；x为al、mg、ga、cr、co、ni、cu、zn或mo的至少一种，l、m、n各自独立地为li、co、mn、ni、fe、al、mg、ga、ti、cr、cu、zn、mo、f、i、s和b中的至少一种，y为ti、fe、ni、cu、mo中的至少一种。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述负极包括锂金属箔片或锂合金箔片，所述负极的厚度为20μm～400μm。

10.一种固态锂金属电池，其特征在于，所述固态锂金属电池包括正极、固态电解质、负极以及形成在所述固态电解质和所述负极之间的金属界面层，所述金属界面层由如权利要求1～9任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本申请提出一种金属界面层的制备方法及固态锂金属电池。制备方法包括：在固态电解质的表面制备金属层，在金属层上压合锂金属负极并加热，使金属层与负极发生原位氧化还原反应，生成金属界面层。本申请通过在固态电解质|负极界面上形成一层不溶于锂金属或不与锂金属发生合金化反应且具有高硬度的金属界面层，从而能阻挡锂金属蠕变和塑性变形导致的向固态电解质内部的渗透和短路。此外，所述金属界面层内含有的纳米金属颗粒不仅可以提高和锂金属负极的相容性，抑制界面副反应，还能使负极侧的锂均匀沉积，减小极化，抑制锂枝晶的生成，进而能提高固态锂金属电池的电化学性能。

技术研发人员：李宝华,胡霞,周栋,康飞宇
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6