一种正极-固态电解质一体化结构与固态电池的制作方法

本发明涉及固态电池，尤其涉及一种正极-固态电解质一体化结构与固态电池。

背景技术：

1、固态电池拥有许多优点，最显著的是它的安全性，由于其使用的是固态电解质，液态电解质的易燃易爆问题得以解决，大大降低了发生安全问题的风险。其次，固态电池的能量密度较高，在相同体积下，固态电池能够存储更多的电能。此外，正极表面不再需要担心与高电压电解液发生副反应，因此可以采用更高电压的正极材料，进一步提升能量密度。另外，固态电池也具有优秀的循环性能。在多次充放电过程中，它的性能下降速度较慢，使用寿命因此得到延长。

2、由于固态电解质与电极材料之间的界面是固-固界面，与固-液相比，接触性和和稳定性更差，离子传输动力学低，产生很大的界面阻抗。所以目前来说，固态电池能量密度有待提高，循环性能较差，如何解决界面接触阻抗问题成为研究的重点，目前主要集中在固态锂离子电池方面的开发，固态钠离子电池也紧跟其后，其中钠金属资源丰富，价格较低，但是存在同样的技术问题需要突破，开发一种界面接触良好的固态钠离子电池及其重要。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种正极-固态电解质一体化结构与固态电池，用以解现有固态电解质与电极材料之间的界面不稳定，离子传输动力学低，具有较高的界面阻抗，造成固态电池的循环性能差，能量密度低等问题中的至少一个。

2、第一方面，本发明提供了一种正极-固态电解质一体化结构，包括一体成型的正极和固态电解质，所述的正极材料为碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠，所述的固态电解质的材料为富钠态铝掺杂磷酸钛钠。

3、进一步的，所述的正极的厚度为0.5-10mm。

4、进一步的，所述的固态电解质的厚度为0.2~5mm。

5、进一步的，固态电解质孔隙率为5~15%，离子电导率为5-10ms/cm。

6、进一步的，所述的碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠的通式为na3alxti2-x(po4)3@c，所述的富钠态铝掺杂磷酸钛钠的通式为na3alxti2-x(po4)3，其中，x=0.1-0.8。

7、进一步的，所述的正极-固态电解质一体化结构通过如下方法制备而成：制备碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠，将所述的碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠压片，得到压片样品，对所述的压片样品的一面采用脉冲电流加热氧化，冷却，得到所述的正极-固态电解质一体化结构。

8、进一步的，压片时采用的压力为1-6mpa。

9、进一步的，压片的厚度为1-10mm。

10、进一步的，脉冲温度为600-800℃，脉冲电流为150-300a，脉冲时间为1-100s。

11、第二方面，本发明提供了一种包括所述的正极-固态电解质一体化结构的固态电池。

12、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

13、（1）本发明将正极和固态电解质设置成一体成型的结构，两者之间无接触界面，大大降低界面接触阻抗，循环性能和倍率性能优异，提高了电池的能量密度；本发明采用碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠作为正极，富钠可以弥补循环中损失的钠离子，作为正极比贫钠态更加稳定，循环寿命更长，具有良好的电子和离子导电性，电池倍率性能更加优异；富钠态铝掺杂磷酸钛钠作为固态电解质具有良好电子绝缘性和离子传输动力；

14、（2）本发明的正极-固态电解质一体化结构采用脉冲电流加热氧化制成，通过控制脉冲电流、温度和时间控制氧化的厚度，进而控制固态电解质厚度，制备一定厚度的固态电解质。即包覆的碳被氧化后形成电子绝缘富钠态铝掺杂磷酸钛钠，作为固态电解质，未被氧化部分具备良好的电子和离子导电性，可作为正极材料使用，本发明将正极与固态电解质制备一体化结构，两者之间界面相连，大大降低界面接触阻抗，循环性能和倍率性能优异，提高了电池的能量密度；

15、（3）本发明采用电化学方法掺杂铝元素，通过调整电压和时间，可以对铝掺杂比例进行控制，实现对制备材料的可控，电化学方法制备碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠，避免使用高温烧结制备，节省能源且产物纯度高，制备方法简单，提高固态电池的容量。

16、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，包括一体成型的正极和固态电解质，所述的正极的材料为碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠，所述的固态电解质的材料为富钠态铝掺杂磷酸钛钠。

2.根据权利要求1所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，所述的正极的厚度为0.5-10mm。

3.根据权利要求1所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，所述的固态电解质的厚度为0.2~5mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，固态电解质孔隙率为5~15%，离子电导率为5-10ms/cm。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，所述的碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠的通式为na3alxti2-x(po4)3@c，所述的富钠态铝掺杂磷酸钛钠的通式为na3alxti2-x(po4)3，其中，x=0.1-0.8。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，所述的一体成型的正极和固态电解质通过如下方法制备而成：制备碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠，将所述的碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠压片，得到压片样品，对所述的压片样品的一面采用脉冲电流加热氧化，冷却，得到所述的正极-固态电解质一体化结构。

7.根据权利要求6所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，压片时采用的压力为1-6mpa。

8.根据权利要求6所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，压片的厚度为1-10mm。

9.根据权利要求6所述的一种正极-固态电解质一体化结构，其特征在于，脉冲温度为600-800℃，脉冲电流为150-300a，脉冲时间为1-100s。

10.一种包括权利要求1-9任一项所述的正极-固态电解质一体化结构的固态电池。

技术总结本发明涉及一种正极‑固态电解质一体化结构与固态电池，属于固态电池技术领域，用以解决现有固态电解质与电极材料之间的界面不稳定，离子传输动力学低，具有较高的界面阻抗，造成固态电池的循环性能差，能量密度低等问题之一。本发明将正极和固态电解质设置成一体成型的结构，两者之间无接触界面，大大降低界面接触阻抗，循环性能和倍率性能优异，提高了电池的能量密度；本发明采用碳包覆富钠态铝掺杂磷酸钛钠作为正极，富钠可以弥补循环中损失的钠离子，作为正极比贫钠态更加稳定，循环寿命更长，具有良好的电子和离子导电性，电池倍率性能更加优异；富钠态铝掺杂磷酸钛钠作为固态电解质具有良好电子绝缘性和离子传输动力。技术研发人员：张永献,杨鹏,钱森森,蒋立君,徐深秋受保护的技术使用者：超威电源集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29