包括用于防止微短路的高分子聚合物层的固态电池负极和包括其的固态电池的制作方法

本申请要求于2020年9月23日提交的韩国专利申请no.2020-0123098和2020年10月8日提交的韩国专利申请no.2020-0130623的优先权，这两个韩国专利申请的公开内容的全部内容以引用方式并入本文中。本发明涉及包括被配置为防止微短路的高分子聚合物层的全固态电池的负极和包括其的全固态电池。更具体地，本发明涉及全固态电池的负极和包括该负极的全固态电池，所述负极包括负极集流体和位于负极集流体的至少一个表面上的涂层，其中，所述涂层具有离子导电性和导电性，并且所述涂层包括高分子聚合物与具有离子导电性的金属或高分子聚合物的混合物作为其构成。

背景技术：

1、具有高能量密度、低自放电率和长寿命的锂二次电池被用于各种高容量电池。锂二次电池的问题在于，因在充电和放电时产生的锂枝晶，插置在正极和负极之间的隔膜被损坏或者电池的体积增加。

2、为了解决由液体电解液泄漏或过热引起的安全相关问题，提出了全固态电池作为替代方案。与锂二次电池不同，全固态电池具有包括固态电解液的固态电解液层，并且固态电解液层设置在正极和负极之间，以用作隔膜。

3、由于全固态电池使用固态电解液代替在常规电池中使用的液体电解液，因此不会出现由于温度变化导致的电解液蒸发或由于外部冲击导致的电解液泄漏，由此全固态电池是安全的，不会爆炸或着火。固态电解液的接触正极或负极的区域由于固态的特性而受到限制，由此在正极和固态电解液层之间以及在负极和固态电解液层之间形成界面并不容易。

4、在正极和固态电解液层之间以及在负极和固态电解液层之间的接触面积小的情况下，电阻高并且输出减小。为此原因，通过对包括固态电解液的单元电芯施压，接触面积增大并且界面电阻减小。

5、然而，如果如上所述地执行施压，则固态电解液层由于锂枝晶的生长而损坏，或者由于锂枝晶与正极之间的反应而发生短路。

6、图1是常规的全固态电池的示意图。

7、从图1中可以看出，常规的全固态电池包括：正极10，其包括正极集流体11和通过涂覆而在正极集流体的相对表面上形成的正极活性材料层12；隔膜/固态电解液层20；以及负极30，其包括负极集流体31和通过涂覆而形成在负极集流体的相对表面上的负极活性材料层32。

8、与图1不同，为了增加电池的总容量，可以将负极集流体单独用作负极，而不用单独的负极活性材料层32，或者可以将负极用作使用锂金属的锂镀和剥离机构。

9、在常规的全固态电池中，从上方和下方向电池施加压力f，以减小固态电解液层20和正极之间以及固态电解液层20和负极之间的界面电阻。当执行初始充电和放电时，锂被插入到负极活性材料中，由此活性材料扩展或者锂沉积在负极上，因此，全固态电池的厚度(z轴)增加。结果，施加到全固态电池内部的压力也增加。在由于初始充电和放电引起的压力增加时，锂枝晶可以容易损坏固态电解液层20，并且锂枝晶可以与正极10反应，由此电芯短路的概率高。

10、在为了增加容量而使用锂金属的情况下，由于锂金属是软的，因此单元电芯的容量和性能根据施压程度而变化或随时间推移而变化。随着压力f增加，固态电解液和锂金属彼此积极反应。结果，更多的锂金属被引入到固态电解液层中，因此在全固态电池中发生短路的概率增加。

11、此外，当施加到全固态电池内部的压力太大时，全固态电池中的正极、固态电解液层和负极的位置和形状可能改变。由于锂不均匀地沉积在负极上，导致全固态电池中的压力也可能不均匀，因此对全固态电池外部施压的夹具也可能损坏。

12、为了解决以上问题，必须降低与锂金属的反应性，或者在全固态电池中使应力均匀分布或减小。

13、在专利文献1中，为了提高传导性、导电性和锂离子导电性，对由正极、固态电解液层和负极构成的堆叠体施压；然而，并没有认识到通过使施加到全固态电池的应力均匀地分布或减小来防止单元电芯中的电芯短路。

14、在专利文献2中，对由正极、固态电解液层和负极构成的堆叠体施压，以便减小界面电阻；然而，并没有认识到通过使施加到全固态电池的应力均匀地分布或减小来提高单元电芯的安全性。

15、日本专利申请公开no.2018-181451(2018.11.15)(“专利文献1”)

16、日本专利申请公开no.2019-200890(2019.11.21)(“专利文献2”)

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明是鉴于以上问题完成的，并且本发明的目的是防止由于锂枝晶的形成而导致固态电解液层损坏以及由于锂枝晶与正极之间的接触而导致发生短路。

3、本发明的另一目的是在全固态电池中使应力均匀地分布或减少并提高离子导电率，由此延长全固态电池的寿命。

4、技术方案

5、为了实现以上目的，根据本发明的一种全固态电池的负极包括负极集流体和位于所述负极集流体的至少一个表面上的涂层，其中，所述涂层包括以下1)和2)中的至少一种：

6、1)具有离子导电性的高分子聚合物a；以及

7、2)i)高分子聚合物b与ii)从由金属、金属的盐、金属的氧化物和金属的水合物组成的组中选择的至少一种的混合物。

8、所述涂层可以具有离子导电性。

9、所述涂层可以包括亲锂材料，并且亲锂材料的非限制示例可以包括从由亲锂金属、金属的盐、金属的氧化物和金属的水合物组成的组中选择的至少一种。

10、高分子聚合物a可以包括锂离子。

11、高分子聚合物b可以包括与金属高度相容的包括氧或氮的官能团。

12、所述金属可以是亲锂性的。

13、另外，可以向涂层添加固态电解液。

14、所述高分子聚合物a和所述高分子聚合物b两者与所述亲锂材料的重量混合比可以为30∶70至90∶10。

15、所述涂层可以具有100nm至10μm的厚度。

16、本发明可以是包括根据以上描述的全固态电池的负极中的任一个的全固态电池。

17、在所述全固态电池的初始充电和放电之后，在所述涂层和所述负极集流体之间可以沉积锂。

18、涂层可以被定位为面对固态电解液层。

19、本发明可以是包括所述全固态电池的电池模块或电池组。另外，本发明可以是其中安装有全固态电池的装置。

20、在本发明中，可以从以上构造当中选择并组合彼此不冲突的一个或更多个构造。

21、有益效果

22、如从以上描述中显而易见的，根据本发明的全固态电池的负极被配置为使得在负极处产生的锂枝晶形成在涂层和负极集流体之间，由此可以防止固态电解液层的损坏或正极与锂枝晶之间的反应。结果，减少了全固态电池中的短路现象。

23、另外，高分子聚合物被用于涂层，由此可以减轻全固态电池中的应力。此外，涂层具有离子导电性，由此可以提高全固态电池的安全性，同时提高负极的性能。

技术特征：

1.一种全固态电池的负极，所述负极包括负极集流体和位于所述负极集流体的至少一个表面上的涂层，其中，

2.根据权利要求1所述的负极，其中，所述涂层具有离子导电性。

3.根据权利要求1所述的负极，其中，所述涂层包括亲锂材料。

4.根据权利要求3所述的负极，其中，所述亲锂材料包括从由亲锂金属、所述金属的盐、所述金属的氧化物和所述金属的水合物组成的组中选择的至少一种。

5.根据权利要求1所述的负极，其中，所述高分子聚合物a包括锂离子。

6.根据权利要求1所述的负极，其中，所述高分子聚合物b包括与金属高度相容的包括氧或氮的官能团。

7.根据权利要求1所述的负极，其中，所述金属是亲锂性的。

8.根据权利要求1所述的负极，其中，固态电解液被添加到所述涂层。

9.根据权利要求3所述的负极，其中，所述高分子聚合物a和所述高分子聚合物b与所述亲锂材料的重量混合比为30∶70至90∶10。

10.根据权利要求1所述的负极，其中，所述涂层具有100nm至10μm的厚度。

11.一种全固态电池，所述全固态电池包括根据权利要求1至10中任一项所述的负极。

12.根据权利要求11所述的全固态电池，其中，在所述全固态电池的初始充电和放电之后，在所述涂层和所述负极集流体之间沉积锂。

13.根据权利要求11所述的全固态电池，其中，所述涂层被定位为面对固态电解液层。

技术总结
本发明涉及包括用于防止微短路的高分子聚合物层的固态电池负极和包括其的固态电池，并且具体地，涉及锂二次电池负极和包括其的固态电池，所述负极使用具有离子导电性和导电性的涂层作为位于负极集流体的至少一个表面上的负极，使得锂枝晶形成在涂层和负极集流体之间，由此防止微短路。

技术研发人员：李廷弼,郑慧利,赵成柱,S·C·金
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13