一种新型复合正极及全固态锂电池的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种新型复合正极及其制备方法，并应用于全固态电池制造，属于全固态锂电池制造领域。本发明专利技术中所述的新型复合正极由集流体、正极层和电解质层组成，其制作工艺与现有锂离子电池正极极片的制造工艺相容性好，促进了正极材料层与电解质材料层间的紧密结合，降低全固态电池的界面阻抗。所制备的复合正极及其制作工艺可应用于各类型全固态电池的制造过程，方法简单，便捷。

【技术实现步骤摘要】
一种新型复合正极及全固态锂电池的制作方法
本专利技术涉及锂离子电池设计制造领域，尤其涉及一种高容量全固态锂电池的设计及制造方法。
技术介绍
当今社会，锂离子电池在日常生活中应用愈加广泛。以有机电解液为电解质的传统锂离子电池在能量密度和安全性方面遭遇瓶颈。在追逐高能量密度的同时，对电池的安全性也提出挑战。为了解决以上使用有机电解液的锂离子电池在能量密度和安全性方面的问题，采用不易燃的无机固体电解质取代有机电解液和有机隔膜以阻断锂离子电池正负极的接触，同时传导锂离子的输运。对于全固态电池的组装而言，一般通过对电解质材料进行烧结，制备电解质陶瓷，再组装成全固态电池。采用上述方法制备的全固态电池存在如电解质陶瓷的烧结困难、电解质陶瓷的厚度较厚、电解质与正负极间界面阻抗较大等问题，最终造成所制备的全固态电池的性能较差、能量密度较低。同时，采用电解质陶瓷制备全固态电池，其电池的组装工艺与现有的锂离子电池制造工艺不兼容，对全固态电池的制备工艺和条件需要重新设计，增加电池制造成本。基于上述问题，本专利技术提供了一种新型的全固态电池的复合正极的制备方法，并提出了一种新型全固态电池的设计方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的全固态电池的复合正极的制备方法，并提出了一种新型全固态电池的设计方案。该复合正极及新型全固态电池的制备可以利用现有的锂离子电池制备的工艺流程和设备，或进行小幅度调整。同时，采用本专利技术中的新型复合正极的制备方法，可以增强电解质材料与正负极间的接触，降低电解质与正负极间的界面阻抗，提高全固态电池的电化学性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种新型高容量全固态锂电池及其复合正极，所述的新型高容量全固态锂电池由外壳、正负极集流体、正负极材料、导电剂、粘结剂和固体电解质材料等组成；所述的复合正极由正极集流体、正极材料、导电剂、粘结剂和LLZO固体电解质材料构成，所述的复合正极采用涂布法进行制备。本专利技术还提供了上述方案中复合正极及全固态电池的制备流程，包括以下步骤：(1)将正极材料、导电剂、粘结剂和固体电解质材料按一定质量比例进行称量(以质量比7：1：1：2为例)，并添加适量N-甲基吡咯烷酮进行充分研磨，制备正极浆料。随后将正极浆料均匀涂敷在铝箔表面，后将其真空干燥，制成正极极片；(2)将所述(1)中得到的正极极片作为基底，在其上层涂敷电解质浆料，真空烘干后制备复合正极极片，所述的电解质层为固体电解质材料、锂盐和粘结剂等按一定质量比进行称量(以质量比8：1：1为例)，并添加适量有机溶剂进行充分研磨，制备电解质层浆料。(3)将所述(2)中得到的复合正极极片致密压实，并与所制备好的负极材料在充满氩气气氛的手套箱中进行组装并封装，获得全固态电池。可选地，步骤(1)中所述的正极材料包括但不限于钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元正极材料、富锂锰基正极材料等。可选地，步骤(1)中所述的导电剂包括但不限于乙炔黑、SUPER-P、KS-6、导电石墨和碳纳米管等。可选地，步骤(1)中所述的粘结剂包括但不限于PVDF、PTFE、PVA等。可选地，步骤(1)中所述的一定比例，其中正极材料比例为7-9.6份，电解质材料为1-2份，导电剂材料为0.2-1份，粘结剂材料为0.2-1份。可选地，步骤(1)中所述的涂敷方式，包括但不限于刮刀、旋涂、丝网印刷、涂布和喷涂等方式。可选地，步骤(1)中所述的真空干燥，其干燥温度为80-120℃，干燥时间为4-12h。可选地，步骤(1)中所述的固体电解质材料为为LLZO。可选地，步骤(1)中所述的固体电解质材料包括但不限于LLZO、LLTO和LATP等。可选地，所述的固体电解质材料的粒径在0.01μm-20μm之间。在本专利技术的技术方案中，其中，所述LLZO固体电解质材料通过湿法球磨破碎法制备，具体步骤包括：(a)将包括锂、镧、锆和掺杂元素的各化合物按既定计量比称量，并与球磨溶剂、球磨介质按各自比例相混合制备为混合浆料；其中所述的锂、镧、锆及掺杂元素的化合物形式包括但不限于其氧化物、硝酸盐、碳酸盐、氢氧化物；(b)将步骤(a)中的混合物进行球磨处理，获得均匀浆料，干燥后获得混合原料粉体；(c)将步骤(b)中所获得的混合原料粉体进行高温煅烧处理，获得立方相LLZO粗粉；(d)将步骤(c)中所获得的立方相LLZO粗粉与球磨溶剂和球磨介质按各自比例混合；(e)将步骤(d)中所获得的混合物进行球磨处理，获得均匀浆料，干燥后得到所述的电解质粉体。优选地，在步骤(a)中按元素质量比计，其含量为：锂6.4份-7份，镧2.6份-3份，锆1.4份-2份，掺杂元素0.01份-0.6份。优选地，步骤(a)和步骤(c)中所述的球磨溶剂为有机溶剂，优选为醇类溶剂，例如酒精、异丙醇，其中，球磨溶剂与物料的质量比为1：2-2：1，步骤(a)中所述的球磨介质包括但不限于钇稳定氧化锆、玛瑙等，球磨介质直径为0.8mm-40mm。优选地，步骤(b)中所述的球磨破碎使用的机械类型包括但不限于滚筒式球磨机、行星式球磨机、卧式砂磨机等；球磨处理的转速为200-800r/min，球磨处理时间为2-8h。优选地，所述步骤(b)和步骤(e)中所述的干燥温度为70-80℃，干燥时间为10-40h。优选地，所述步骤(c)中所述的煅烧处理温度为700-950℃，煅烧时间为6-12h，升温速率为2-10℃/min。优选地，所述步骤(e)中所述的球磨处理的使用机械类型包括但不限于滚筒式球磨机、行星式球磨机、卧式砂磨机等；球磨处理的转速为200-2000r/min，球磨处理时间为2-8h，浆料粘度控制为20-100mPa·s。在本专利技术的技术方案中，其中，所述LLZO固体电解质材料通过湿法球磨破碎法制备，具体步骤包括：(a)混合浆料制备：将锂、镧、锆、掺杂元素的各化合物按既定比例称量(如以Nb掺杂为例，其中氢氧化锂为6.6份、氧化镧为1.5份、氧化锆1.6份、氧化铌为0.2份，制备Li6.6La3Zr1.6Nb0.4O12粉体)，并与球磨溶剂、球磨介质按各自比例相混合制备为混合浆料；本步骤中(a)中，所述锂、镧、锆及掺杂元素的化合物形式包括但不限于氧化物、硝酸盐、碳酸盐、氢氧化物等。优选地，本实施方式中采用氢氧化锂、氧化镧、氧化锆和氧化铌。所述掺杂元素包括但不限于铝、铁、镓、钇、铈、锑、钽、铌等，同时可为其中一种或几种。优选地，本实施方式中选用氧化铌。所述既定比例包括但不限于化学计量比、质量比或其他符合配方需求的比例等。优选地，本实施方式中选用化学计量比，其中氢氧化锂为6.6份、氧化镧为1.5份、氧化锆1.6份、氧化铌为0.2份，制备Li6.6La3Zr1.6Nb0.4O12粉体。所述的球磨溶剂为有机溶剂，优选为醇类，包括但不限于酒精、异丙醇等。优选地，本实施方式中选用异丙醇。所述的球磨介质包括但不限于钇稳定氧化锆、玛瑙等。优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型全固态电池用复合正极，其特征在于，所述的复合正极单面由集流体、正极层和电解质三层组成，叠层顺序依次为集流体、正极层和电解质层，其中所述的集流体为Al箔，其中所述的正极层厚度为10μm-100μm，其中所述的电解质层为石榴石型锆酸镧锂(LLZO)固体电解质粉体，所述的电解质粉体为具有立方相结构LLZO电解质粉体，粉体粒径小于1μm，粒径分布为单峰分布，具有高比表面积(>1500m

【技术特征摘要】
1.一种新型全固态电池用复合正极，其特征在于，所述的复合正极单面由集流体、正极层和电解质三层组成，叠层顺序依次为集流体、正极层和电解质层，其中所述的集流体为Al箔，其中所述的正极层厚度为10μm-100μm，其中所述的电解质层为石榴石型锆酸镧锂(LLZO)固体电解质粉体，所述的电解质粉体为具有立方相结构LLZO电解质粉体，粉体粒径小于1μm，粒径分布为单峰分布，具有高比表面积(>1500m2·Kg-1)。


2.如权利要求1所述的复合正极，其中，所述LLZO电解质粉体包括有锂、镧、锆以及掺杂元素，其中所述的掺杂元素包括铝、铁、镓、钇、铈、锑、钽、铌、钒；按元素质量比，掺杂计量比为0.01份-0.6份。


3.一种通过制备浆料成膜制备如权利要求1或2所述的复合正极的方法，
包括以下步骤：
(1)将正极材料、导电剂、粘结剂和固体电解质粉体按一定质量比例进行称量(以质量比7：1：1：2为例)，并添加适量N-甲基吡咯烷酮进行充分研磨，制备正极浆料；
(2)将(1)中制备的正极浆料均匀涂敷在铝箔表面，后将其真空干燥，制成正极极片；
(3)将固体电解质材料、锂盐和粘结剂等按一定质量比进行称量(以质量比8：1：1为例)，并添加适量有机溶剂进行充分研磨，制备电解质层浆料；
(4)将所述(3)中得到的正极极片作为基底，在其上层涂敷电解质浆料得到电解质层，真空烘...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈召勇，吉闫，朱华丽，谢子璇，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43