一种一体化全固态锂金属电池制造技术

本发明专利技术属于电池技术领域，尤其涉及一种一体化全固态锂金属电池，包括正极、负极和设置于所述正极和所述负极之间的有机无机复合固态电解质，所述负极为金属锂，所述有机无机复合固态电解质包括聚氧化乙烯、电解质和均匀分散于所述聚氧化乙烯内的陶瓷纳米线，所述正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和电解质的混合物。相对于现有技术，本发明专利技术通过在聚氧化乙烯(PEO)中均匀分散陶瓷纳米线，可以得到高离子电导率和高机械强度的有机无机复合固态电解质；并使正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和电解质的混合物，有效保证正极中离子的输运和界面的良好接触，从而获得安全性高和电化学性能优异的一体化全固态锂金属电池。

【技术实现步骤摘要】
一种一体化全固态锂金属电池
本专利技术属于电池
，尤其涉及一种一体化全固态锂金属电池。
技术介绍
锂金属电池由于其高能量密度被广泛认为是最有前途之一的下一代能量存贮器件。但是，目前锂金属电池普遍使用的液态有机电解质存在严重的安全隐患，比如漏液，锂枝晶刺穿隔膜引起燃烧甚至爆炸。近年来，固态电解质开始逐渐引起人们的关注，因为它们的不易燃性能够解决液态电解质导致的安全问题。但是目前固态电解质较低的离子电导率，机械强度差等因素限制了全固态锂金属电池的实际应用。合格的全固态锂金属电池应该具有几下性能：1)固态电解质本体的离子电导率大于10-4S/cm；2)固态电解质与正极有良好的界面接触；3)固态电解质具有一定的机械强度抑制锂枝晶，一定的柔韧性缓冲正极和锂金属在电池充放电过程中的体积变化。聚氧化乙烯(PEO)基电解质是一种很有前景的聚合物电解质，具有柔性、不易燃性和成本低的优势。在60℃下其离子电导率能够达到10-4～10-3S/cm。但是，PEO基聚合物电解质在常温下离子电导率偏低，而且机械性能差不能够有效抑制锂枝晶生长。为了克服PEO基电解质的缺点，通常在电解质中加入快离子导体填料构建复合固态聚合物电解质。快离子导体一般为无机陶瓷填料颗粒，例如：Li7La3Zr2O12(LLZO)及其掺杂物、Li0.33La0.557TiO3(LLTO)及其掺杂物、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)等。在之前的研究中，研究者们发现在PEO基电解质中加入陶瓷填料不仅能够提高电解质的离子电导率，还可以提高电解质膜的机械强度。除了无机陶瓷颗粒，无机陶瓷纳米线能够更加有效地提高固态聚合物电解质的离子电导率。在以往的相关研究中，绝大部分只研究了纳米线陶瓷对电解质膜的电导率提高以及在锂对称电池中对锂枝晶的抑制作用，没有运用到半电池中研究其电化学性能。这是由于正极和电解质的接触性差也是一个亟待解决的难题。实现全固态锂金属电池中电解质的高离子电导率，正极与固态电解质的良好接触减小界面阻抗对全固态电池的发展具有重大的意义。有鉴于此，本专利技术旨在提供一种高性能的一体化全固态锂金属电池，其通过在聚氧化乙烯(PEO)中均匀分散陶瓷纳米线，可以得到高离子电导率和高机械强度的有机无机复合固态电解质；并使正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和电解质的混合物，有效保证正极中离子的输运和界面的良好接触，从而获得安全性高和电化学性能优异的一体化全固态锂金属电池。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种高性能的一体化全固态锂金属电池，其通过在聚氧化乙烯(PEO)中均匀分散陶瓷纳米线，可以得到高离子电导率和高机械强度的有机无机复合固态电解质；并使正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和电解质的混合物，有效保证正极中离子的输运和界面的良好接触，从而获得安全性高和电化学性能优异的一体化全固态锂金属电池。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种一体化全固态锂金属电池，包括正极、负极和设置于所述正极和所述负极之间的有机无机复合固态电解质，所述负极为金属锂，所述有机无机复合固态电解质包括聚氧化乙烯(PEO)、电解质和均匀分散于所述聚氧化乙烯内的陶瓷纳米线，所述正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和电解质。本专利技术将陶瓷纳米线作为填料加入到PEO基聚合物电解质中得到高离子电导率和高机械强度的有机无机复合固态电解质。正极采用电解质组分(聚氧化乙烯和电解质)作为粘结剂，有效保证正极中离子的输运和界面的良好接触，从而可以获得安全性高和电化学性能优异的一体化全固态锂金属电池。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，所述电解质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LITFSI)，相比于其他锂盐，LITFSI具有较高的离子电导率。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，所述陶瓷纳米线为LLZO纳米线，LLZO体系陶瓷的离子电导率可达10-2S/cm，具有较大优势。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，所述有机无机复合固态电解质中，陶瓷纳米线所占质量百分比为5％-15％。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，所述陶瓷纳米线的直径为50-500nm，由陶瓷纳米颗粒组成的陶瓷纳米线，能够形成连续的离子通路。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，所述陶瓷纳米线为通过静电纺丝工艺制备得到的纳米线。静电纺丝工艺具有易成型的优势。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，所述正极粘接剂中，氧化乙烯单元与锂的摩尔比为(10-20)：1。PEO离子电导率不够，LITFSI是锂盐，能够提高电导率。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，该电池的制备工艺至少包括如下步骤：第一步，有机无机复合固态电解质的制备：先通过静电纺丝工艺制备陶瓷纳米线，将该纳米线均匀分散至含有PEO/LITFSI的乙腈溶液中，搅拌，倒入聚四氟乙烯模具成型，加热使溶剂挥发，得到有机无机复合固态电解质；第二步，正极的制备：将正极活性物质、导电剂和粘接剂加入溶剂中搅拌均匀，得到正极浆料，将正极浆料涂覆在集流体上，烘干，分切，得到正极片；第三步，用锂金属作为负极片，将正极片、有机无机复合固态电解质和负极片组装成一体化全固态锂金属电池。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，第一步所述静电纺丝的具体步骤为：将硝酸锂、硝酸镧、硝酸锆按摩尔比溶于含有乙酸的DMF溶液中，静电纺丝得到前驱体膜，在空气中600-800℃煅烧1-3h，得到陶瓷纳米线。作为本专利技术一体化全固态锂金属电池的一种改进，第三步中，所述正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂和镍钴氯酸锂中的至少一种；所述导电剂为Super-P、碳纳米线、科琴黑中的至少一种；所述溶剂为NMP或水。也就是说，本专利技术制备了一种高性能的一体化全固态锂金属电池。首先制备复合固态聚合物电解质，将静电纺丝制备的LLZO纳米线均匀的分散到PEO/LITFSI中，制备离子电导率高，具有一定机械强度能够抑制锂枝晶的复合聚合物电解质薄膜，得到有机无机复合的全固态电解质薄膜后，用于制备一体化全固态锂金属电池，正极采用PEO/LITFSI作为粘结剂，负极采用锂金属。通过在正极和电解质中采用相同的组分PEO/LITFSI，能够达到增加正极和电解质的融合以减小界面的阻抗实现高的电化学性能。同时，复合电解质膜的机械强度的提高能够有效防止电池运行过程中锂枝晶的刺穿，并且该电池不含任何形式的液态电解液，保障了电池的安全性。相对于现有技术，本专利技术至少具有如下有益效果：首先，解决了全固态PEO基聚合物电解质离子电导率偏低的问题；PEO基电解质具有一定的离子传输能力，但是在较低温度下离子电导率低，并且由于机械性能差导致无法有效抑制锂枝晶。在PEO/LITFSI中均匀分散LLZO纳米线能够有提高离子电导率(常温下达到2.39*10-4S/cm)和机械强度。其次，解决了正极材料和固态电解质接触性差的问题；通常正极材料使用PVDF作为粘结剂，其缺点是PVDF会和LLZO反生反应从而影响电池的电化学性能。采用PEO/LITFSI作为粘结剂，一方面保证正极中离子的传输，另一方面提高正极材料和电解质的融合性，减小界面阻抗。再次，本专利技术制备出了性能良好的一体化全固态锂金属电池；基于上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体化全固态锂金属电池，其特征在于：包括正极、负极和设置于所述正极和所述负极之间的有机无机复合固态电解质，所述负极为金属锂，所述有机无机复合固态电解质包括聚氧化乙烯(PEO)和均匀分散于所述聚氧化乙烯内的陶瓷纳米线，所述正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和锂盐。

【技术特征摘要】
1.一种一体化全固态锂金属电池，其特征在于：包括正极、负极和设置于所述正极和所述负极之间的有机无机复合固态电解质，所述负极为金属锂，所述有机无机复合固态电解质包括聚氧化乙烯(PEO)和均匀分散于所述聚氧化乙烯内的陶瓷纳米线，所述正极中的粘接剂包含聚氧化乙烯和锂盐。2.根据权利要求1所述的一体化全固态锂金属电池，其特征在于：所述锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LITFSI)。3.根据权利要求1所述的一体化全固态锂金属电池，其特征在于：所述陶瓷纳米线为LLZO纳米线。4.根据权利要求1所述的一体化全固态锂金属电池，其特征在于：所述有机无机复合固态电解质中，陶瓷纳米线所占质量百分比为5％-15％。5.根据权利要求1所述的一体化全固态锂金属电池，其特征在于：所述陶瓷纳米线的直径为50-500nm。6.根据权利要求1所述的一体化全固态锂金属电池，其特征在于：所述陶瓷纳米线为通过静电纺丝工艺制备得到的纳米线。7.根据权利要求1所述的一体化全固态锂金属电池，其特征在于：所述正极粘接剂中，氧化乙烯单元与锂的摩尔比为(10-20)：1。8.根据权利要求1所述的一体化全固态锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺艳兵，万子裴，康飞宇，沈璐，郝晓鸽，石凯，李松，李宝华，杨全红，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44