复合结构及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电池，具体而言，涉及一种复合结构及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池由于具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优势而成为消费类电子电池与新能源汽车动力电池的首选，但现有锂离子电池使用的石墨或掺硅负极的比容量低，限制了其能量密度的进一步提升。

2、金属锂负极具有3860mah/g的比容量，其使用将使锂电池的能量密度得到大幅提升，更进一步将金属锂去掉得到的无负极是目前通过调整负极能够实现的最高能量密度，其使用将使电芯的能量密度突破700wh/kg，但金属锂负极与无负极存在的枝晶问题、与电解质的副反应问题及体积膨胀效应，限制了其商业化应用。

3、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提供一种复合结构，以解决现有的金属锂负极与无负极存在的枝晶问题、与电解质的副反应问题及体积膨胀效应。本发明的复合结构有利于提高电池的首效、库伦效率和循环性能。

2、本发明的另一个目的在于提供一种所述的复合结构的制备方法，该方法简单易行，得到的复合结构可更好地改善电池的电化学性能。

3、本发明的另一个目的在于提供一种电池，具有优异的首效、库伦效率和循环性能。

4、本发明的另一个目的在于提供一种用电设备。

5、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

6、一种复合结构，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；所述集流体具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料位于所述集流体的多孔结构中；所述导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的所述集流体的两侧表面，所述固态电解质层位于所述导电碳层远离所述集流体的表面。

7、在一种实施方式中，所述集流体的孔隙率为50％～90％，所述多孔结构的孔径为0.1～5mm。

8、在一种实施方式中，所述多孔结构包括垂直通孔和相互交联的曲线孔结构中的至少一种。

9、在一种实施方式中，所述集流体的材质包括铜、钢和镍中的至少一种。

10、在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料选自能与锂金属发生合金反应的元素；所述金属锂沉积诱导材料选自铝、硼、锡、锑、铟、镁、银、硅和金中的至少一种。

11、在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的粒径为1～200nm。

12、在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的面容量为正极面容量的5％～80％。

13、在一种实施方式中，所述导电碳层包括导电碳与粘结剂；所述粘结剂的质量占所述导电碳层的质量的1％～5％。

14、在一种实施方式中，所述导电碳层中，导电碳包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳管和石墨稀的至少一种。

15、在一种实施方式中，所述导电碳层中，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、丁腈橡胶和聚丙烯酸酯的至少一种。

16、在一种实施方式中，所述导电碳层的厚度为5～10μm。

17、在一种实施方式中，单侧的所述固态电解质层为一层或者多层；所述固态电解质层包括聚合物层和/或无机层。

18、在一种实施方式中，当所述固态电解质层为一层时，所述固态电解质层为聚合物层；当所述固态电解质层为两层时，所述固态电解质层包括聚合物层和无机层，所述聚合物层靠近所述集流体；当所述固态电解质层为三层时，所述固态电解质层包括依次设置的无机层、聚合物层和无机层。

19、在一种实施方式中，所述聚合物层中还含有锂盐；所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的10％～60％。

20、在一种实施方式中，所述聚合物层中的锂盐包括六氟磷酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种。

21、在一种实施方式中，所述聚合物层的材质包括聚醚类、聚碳酸酯、聚羧酸酯、聚磷酸酯和聚硅氧烷的至少一种。

22、在一种实施方式中，所述无机层的材质包括氟化锂、氮化锂、硫化锂、硝酸锂和锂磷氧氮中的至少一种。

23、在一种实施方式中，所述聚合物层的厚度为0.2～5μm。

24、在一种实施方式中，所述无机层的厚度为10～500nm。

25、如上所述的复合结构的制备方法，包括以下步骤：

26、在集流体基体上制作多孔结构；将金属锂沉积诱导材料沉积在集流体上，得到复合集流体；在所述复合集流体的两侧表面涂覆导电碳层；在所述导电碳层的表面制备固态电解质层。

27、在一种实施方式中，所述多孔结构的制作方法包括物理刻蚀法、三维打印构建和化学刻蚀法中的至少一种。

28、在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的沉积方法包括热蒸发、磁控溅射和电子束溅射中的至少一种。

29、一种电池，包括所述的复合结构、正极片、电解液和隔膜。

30、在一种实施方式中，所述正极片中，正极活性材料包括镍钴锰酸锂三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂和镍锰酸锂中的至少一种。

31、一种用电设备，包括所述的电池。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、(1)本发明的复合结构，通过在三维集流体预留金属锂沉积空间，构建沉金属锂沉积诱导材料层，实现金属锂沉积行为的精确诱导，结合导电碳层与固态电解质层的构建，可解决无负极的枝晶问题、与电解质持续副反应问题，缓解金属锂沉积的体积效应；有助于提高电池的首效、循环性能和倍率性能。

34、(2)本发明的复合结构的制备方法简单易行，得到的复合结构具有优异的电化学性能。

35、(3)本发明的电池具有优异的容量、循环性能和安全性能。

技术特征：

1.一种复合结构，其特征在于，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；所述集流体具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料位于所述集流体的多孔结构中；所述导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的所述集流体的两侧表面，所述固态电解质层位于所述导电碳层远离所述集流体的表面。

2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：

3.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：

4.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：

5.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(8)中的至少一种：

6.权利要求1～5中任一项所述的复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的复合结构的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：

8.一种电池，其特征在于，包括复合结构、正极片、电解液和隔膜；所述复合结构为权利要求1～5中任一项所述的复合结构，或者权利要求6或7中所述的复合结构的制备方法制备得到的复合结构。

9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述正极片中，正极活性材料包括镍钴锰酸锂三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂和镍锰酸锂中的至少一种。

10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求8或9所述的电池。

技术总结
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种复合结构及其制备方法和应用。一种复合结构，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；集流体具有多孔结构，金属锂沉积诱导材料位于集流体的多孔结构中；导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的集流体的两侧表面，固态电解质层位于导电碳层的表面。本发明的复合结构，通过在三维集流体预留金属锂沉积空间，构建沉金属锂沉积诱导材料层，以实现金属锂沉积行为的精确诱导，结合导电碳层与固态电解质层的构建，可解决无负极的枝晶问题、与电解质持续副反应问题，缓解金属锂沉积的体积效应；有助于提高电池的首效、循环性能和倍率性能。

技术研发人员：李云明,马勇,胡波剑
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29