一种三维电极结构的全固态锂离子电池及其制造方法技术

本申请提供一种三维电极结构的全固态锂离子电池及其制备方法，包括具有微纳米级的电沉积负极材料，与三维多孔泡沫结构的正极材料分离，通过以均匀且无针孔的电沉积方式还原聚合物固体电解质到正极极材料上，并填充多孔泡沫结构的空隙，与其他类型的锂离子电池设计相比，这将显著缩短锂离子在电池充电/放电时需要穿过的距离，本发明专利技术同时描述了制造电池的方法。与目前以薄膜技术的传统固态锂离子电池结构相比，本发明专利技术固态电池的立体结构也将提供更大的能量密度，并且整体以电沉积负极的生产方式能有效地减少工艺复杂度、降低生产成本和提高产品质量及可靠度。高产品质量及可靠度。高产品质量及可靠度。

【技术实现步骤摘要】
一种三维电极结构的全固态锂离子电池及其制造方法


[0001]本专利技术涉及锂电池领域，尤指一种三维电极结构的全固态锂离子电池及其制造方法。

技术介绍

[0002]锂是最轻、带正电的离子元素，因此非常适合使用在高能量密度电池的应用。因此，锂离子电池已成为各种便携式电子设备中最常用的电池。电子市场的成功推动了其在混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)和电动汽车(EV)中的应用。除了这些应用，为了对应更强大的便携式电子设备不断增长的需求，促使人们对电池的需求不断增加，以保持极大的充电和极大的放电电流密度。安全性也成为设计新型锂离子电池的一个重要因素，特别是在交通运输方面。目前，大多数锂电池都有一个多孔分离器，它浸泡在含有LiPF6的无水碳酸盐基电解质中。由于这种电解液，这些电池相当容易因为温度异常和碰撞而着火，因此全固态锂电池成为解决这些问题的重要方向。
[0003]许多研究开始尝试固态锂电池作为传统液态电解质锂电池的安全替代品。然而，在固态锂离子电池被广泛应用于商业应用之前，必须解决两个主要问题。第一种是锂离子扩散到正极和负极是相当缓慢的，以及在分开两个电极的固态电解质中的扩散也是缓慢的，这使得这种电池的充放电速率低于传统的锂离子电池。第二个是第一个的结果，因为固态锂离子电池通常需要复杂的工业制造薄层以补偿缓慢的固态扩散，为了提高能量密度必须付出昂贵的成本代价，这也是目前全固态锂电池商品化面临的一项困难。
[0004]虽然与大尺寸材料相比，减小电极材料的尺寸可以提高速率性能，但缩短正极和负极电池结构之间的距离并非易事，而且锂离子需要在宏观上分开的电极之间进行大距离的移动。由于受限常用的现存制造技术，电池的平面几何形状显著降低了所能获得的能量密度。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种三维电极结构的全固态锂离子电池的制备方法，使得锂离子扩散路径缩短的固态锂离子电池的方法，其中使用非线性程序来进行沉积均匀的电极和电解质层。
[0006]另外本专利技术还提供一种三维电极结构的全固态锂离子电池，其有效地提高锂离子在进出电池正极和负极中的扩散速率。
[0007]为实现上述目的之一，本专利技术采用的技术方案是：一种三维电极结构的全固态锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：制备正极材料：将正极浆料与空间支架混合，待固化后对空间支架进行化学蚀刻处理，并构成外表面具有三维多孔泡沫结构的正极材料；
[0009]步骤2：通过电沉积的方式在正极材料的外表面形成固态电解质层，且该固态电解质层还位于在三维多孔泡沫结构外表面；
[0010]步骤3：通过电沉积的方式在固态电解质层的外表面形成导电化合物缓冲层；
[0011]步骤4：通过电沉积的方式在三维多孔泡沫结构内形成负极材料，且该负极材料通过固态电解质层以及导电化合物缓冲层与正极材料实现电隔离。
[0012]进一步，所述正极浆料包括源正极材料、碳基导电添加剂、黏合剂。
[0013]进一步，其中所述源正极材料包括LiCO2、LiMnO2、LiMn
1.42
Ni
0.42
Co
0.6
O4、Li
1.5
Ni
0.25
Mn
0.75
O
2.5
、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、LiFePO4和LiMnO4中的一种或多种。
[0014]进一步，所述碳基导电添加剂为石墨：所述黏合剂为聚偏氟乙烯。
[0015]进一步，所述空间支架为二氧化硅珠粒。
[0016]进一步，固态电解质层为聚磷腈。该聚磷腈具体为使用交联剂1,4
‑
萘醌进行交联处理的聚六氯环三磷腈，且该固态电解质层的厚度为10nm～1000nm。
[0017]进一步，所述负极材料包括镍、铜、锑化铜或聚苯胺中的一种或多种。
[0018]为实现上述目的之二，本申请提供一种三维电极结构的全固态锂离子电池，包括：
[0019]正极材料，该正极材料表面开设有若干个三维多孔泡沫结构；
[0020]固态电解质层，涂覆在到所述正极材料的外表面，以提供对电流和锂离子穿越的相对阻抗；
[0021]导电化合物缓冲层，涂覆在固态电解质层的外表面；
[0022]负极材料，填充在正极表面三维多孔泡沫结构内，且负极材料与正极材料之间通过固态电解质层以及导电化合物缓冲层实现电隔离。
[0023]进一步，还包括正极收集器、负极收集器，其中正极收集器与正极材料电性连通，其中负极收集器与负极电性连通。
[0024]本专利技术的有益效果在于：1.通过构建具有三维多孔泡沫结构的正极材料，可以用于纳米尺度和微米尺度上实现高表面积与体积比，所述多孔泡沫结构与平面结构相比增强了表面积。具有微纳米级或更小特征的多孔泡沫结构，其减少电极材料内和电极之间的锂离子扩散长度，这在固态锂离子电池中是有利的，因为固态电解质的电导率通常显着低于常规液态电解质的电导率。此外，与二维平面结构不同，多孔泡沫结构允许在保持实际能量密度的同时实现这种距离减小。使用多孔泡沫结构的另一个好处是它允许减少电池中存在的非电池活性材料的量，例如集电器，分离器和包装，与那些相比，它比起平面固态电池提供了更大的能量密度。
[0025]2.其正极极材料为三维多孔泡沫，并通过薄的固体电解质与负极分离，锂离子从正极通过固态电解质层与负极材料相互穿透，在保持有用能量密度的同时，允许在电极材料内和电极材料之间进行短的锂离子扩散时间，并且其中可将多个电池并联或串联，以允许获得所寻求之应用所需的容量和电压。固态锂离子电池比传统的锂离子电池具有更好的安全特性，并且不局限于低能量应用。
附图说明
[0026]图1是本专利技术正极材料表面三维多孔泡沫结构实施例的截面示意图，图。
[0027]图2是正极材料制作成三维多孔泡沫结构示例的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0028]图3是掺杂有硅(Si(IV))的合成的LiMn
1.42
Ni
0.42
Co
0.16
O4纳米颗粒，所测试的相应能量色散x射线(EDS)光谱图。
[0029]图4是合成的LiMn
1.42
Ni
0.42
Co
0.16
O4纳米颗粒与电沉积的Cu2Sb的全电池的电压分布的循环结果示意图。
[0030]图5是本专利技术全固态锂离子电池的具体应用示意图。
[0031]附图标号说明：正极材料10、固态电解质层11、导电化合物缓冲层12、负极材料13、正极集电器51、负极集电器52、电池53。
具体实施方式
[0032]请参阅图1
‑
5所示，本专利技术关于一种三维电极结构的全固态锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
[0033]步骤1：制备正本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维电极结构的全固态锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：制备正极材料：将正极浆料与空间支架混合，待固化后对空间支架进行化学蚀刻处理，并构成外表面具有三维多孔泡沫结构的正极材料；步骤2：通过电沉积的方式在正极材料的外表面形成固态电解质层，且该固态电解质层还位于在三维多孔泡沫结构外表面；步骤3：通过电沉积的方式在固态电解质层的外表面形成导电化合物缓冲层；步骤4：通过电沉积的方式在三维多孔泡沫结构内形成负极材料，且该负极材料通过固态电解质层以及导电化合物缓冲层与正极材料实现电隔离。2.根据权利要求1所述的一种三维电极结构的全固态锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极浆料包括源正极材料、碳基导电添加剂、黏合剂。3.根据权利要求2所述的一种三维电极结构的全固态锂离子电池的制备方法，其特征在于：其中所述源正极材料包括LiCO2、LiMnO2、LiMn
1.42
Ni
0.42
Co
0.6
O4、Li
1.5
Ni
0.25
Mn
0.75
O
2.5
、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、LiFePO4和LiMnO4中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的一种三维电极结构的全固态锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：林健峯，
申请(专利权)人：林健峯，
类型：发明
国别省市：