一种全固态氟化碳锂电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种内部串联的氟化碳全固态电池，由多个电池单元重复叠片串联构成，每个电池单元均由集流体、复合正极层、固态电解质层、负极以及集流体组成，所述的复合正极层由60%～90%的氟化碳、2%～5%的导电剂、2%～5%的粘结剂以及5%～35%的硫化物固态电解质组成，所述的负极为金属锂负极或锂铟合金负极；位于两端的集流体引出正负极耳后采用铝塑膜整体封装；还公开了制备方法；本发明专利技术采用的内部串联方法可以将单体电芯中的极片采用固态电解质串联，可以使单体电芯的工作电压提升数倍乃至数十倍，以应对一些特殊场景所需要的特种电池。种电池。种电池。

【技术实现步骤摘要】
一种全固态氟化碳锂电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于全固态锂一次电池领域，具体涉及一种高比能量高电压氟化碳固态锂电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]在许多领域，电池是首选的动力来源。锂一次电池由于能量密度高，贮存寿命长等优点，在民用和军用领域都是首选的电池体系，如电子烟中的电池、部分水中兵器用电池，都使用的是锂一次电池。在锂一次电池体系中，锂氟化碳电池有着最高的理论比能量，氟化碳材料理论比容量可达864 mAh/g，理论比能量为2680 Wh/kg，在实际使用中，氟化碳电池的能量密度也已达到800Wh/kg左右，但氟化碳电池发热量大，成组使用时容易发生热失控，所以氟化碳电池的成组应用一般都在低倍率（≤0.1 C）下放电，当热量积累过多时，会发生胀气、起火等事故。同时由于传统的液态电解液稳定电压的限制，锂氟化碳单体电芯输出电压都在3 V以下。
[0003]全固态电池和传统的锂离子电池相比，除了安全性好之外，还可能突破现有电池体系的能量密度限制，同时具有温度适应性（尤其是高温）好等优点。部分高离子电导率的硫化物固态电解质在室温下其离子电导率已经达到甚至超过液态有机电解液的水平（10
‑2S cm
‑1），而在高温时，硫化物固态电解质的电导率还能大幅提升，进而超过液态电解质，同时其在较高（＜120 ℃）的温度下较稳定，不会产生如有机电解液的沸腾和分解，因此在氟化碳这类发热量较大的电池体系中有着传统电解液不可比拟的优势。
[0004]由于固态电解质不具有流动性，极片可以采用串联叠片的方式，使单体电池输出的电压突破5 V，在一些特殊的场景，需要小容量高电压输出时具有应用价值。
[0005]传统的外部串联全固态锂电池结构如图1所示，其在使用中存在电池发热量高，成组后发热量大导致安全性差等问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的之一是提供一种内部串联的全固态氟化碳锂电池，以解决现有技术存在的问题。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全固态氟化碳锂电池，由多个电池单元重复叠片串联构成；每个电池单元均由集流体、涂布在集流体一侧的复合正极层、涂布或热压在复合正极层表面的固态电解质层、覆盖在固态电解质层表面的负极以及覆盖在负极另一侧的集流体组成；所述的复合正极层由正极和用于传导离子的硫化物固态电解质构成，由60%～90%的氟化碳、2%～5%的导电剂、2%～5%的粘结剂以及5%～35%的高离子电导率的硫化物固态电解质组成；所述的负极为金属锂负极或锂铟合金负极；位于两端的集流体引出正负极耳后采用铝塑膜整体封装。
[0008]所述的一种全固态氟化碳锂电池，其集流体为厚度2um～12um的铜箔或不锈钢箔。优选集流体为4.5um厚的铜箔。
[0009]所述的一种全固态氟化碳锂电池，其氟化碳为氟化石墨、氟化碳纤维、氟化碳纳米管中的一种或几种。
[0010]所述的一种全固态氟化碳锂电池，其导电剂为炭黑、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。
[0011]所述的一种全固态氟化碳锂电池，其粘结剂为丁苯橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶或聚乙烯
‑
醋酸乙烯酯。
[0012]所述的一种全固态氟化碳锂电池，其硫化物固态电解质为LGPS型硫化物固态电解质、Argyrodite型硫化物固态电解质以及玻璃陶瓷类硫化物固态电解质中的一种或几种；制备方式为粉末冷压或涂布。
[0013]所述的一种全固态氟化碳锂电池，采用涂布法制备硫化物固态电解质时，所用的粘结剂为SBR（丁苯橡胶）、NBR（丁腈橡胶）、HNBR（氢化丁腈橡胶）或PEVA（聚乙烯
‑
醋酸乙烯酯）。
[0014]所述的一种全固态氟化碳锂电池，采用涂布法结合复合正极层和固态电解质层时使用二甲苯、对二甲苯或正庚烷作为溶剂，使用SBR（丁苯橡胶）、NBR（丁腈橡胶）、HNBR（氢化丁腈橡胶）或PEVA（聚乙烯
‑
醋酸乙烯酯）作为粘结剂。
[0015]本专利技术的目的之二是提供上述全固态氟化碳锂电池的制备方法，步骤为：（1）将氟化碳、固态电解质及导电剂按照配比均匀混料，然后加入到含有粘结剂的溶液中，采用涂布法将氟化碳涂布于集流体上，真空下60～80℃烘干12小时以上备用；（2）在氟化碳采用粉末冷压压上或涂布法涂上一层厚度约为20um～100um的硫化物固态电解质，得到复合正极层；（3）复合正极层烘干后在正极上面涂布或热压一层固态电解质作为固态电解质层，再覆上一层负极，得到一个电池单元；（4）重复步骤（1）～（3）得到多个电池单元，反复层叠各个电池单元得到全固态电池集群；（5）正负极采用极耳引出后，用铝塑膜封装，封装后先后采用等静压与热压处理，压力均为10～30 MPa，热压温度为80～120℃。
[0016]总体而言，以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：（1）本专利技术采用的内部串联方法可以将单体电芯中的极片采用固态电解质串联，可以使单体电芯的工作电压提升数倍乃至数十倍，以应对一些特殊场景所需要的特种电池；（2）本专利技术采用的内部串联法在制备大容量电池时，相交传统锂电的外部串联法可以省去部分如铝塑膜等非氟化碳，提高电池比能量；（3）本专利技术采用硫化物固态电解质配合可以解决现有氟化碳电池体系发热量大，成组放电时散热及安全性不佳的问题。
附图说明
[0017]图1为传统外部串联的全固态锂电池结构示意图；图2为本专利技术内部串联的全固态氟化碳锂电池结构示意图；图3 为本专利技术的内部组成示意图；
图4为本专利技术实施例2中的电池结构；图5 为本专利技术实施例2和对比例1的放电温升曲线。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0019]本专利技术的“内串联”是通过每组正负极片直接串联得到，相较传统锂电池，单体电芯内部的极片都是并联，是因为具有流动性的电解液不能承受5V以上的电压。而固态电解质不会流动，没有此问题。
[0020]在复合正极层的制备中，均匀的混料十分重要，混料不均会影响电池的性能和容量的发挥；均匀混合的方法可以选择滚筒式混合，在专用的混合设备中低速混合，以免破坏电解质的结构。
[0021]电池在封装后需要进行等静压及100℃热压处理，保证整个固态电池内部的接触，降低界面阻抗。
[0022]实施例1如图2和图3所示，本专利技术公开的一种全固态氟化碳锂电池，由多个电池单元重复叠片串联构成；每个电池单元均由集流体、涂布在集流体一侧的复合正极层、涂布或热压在复合正极层表面的（纯）固态电解质层、覆盖在固态电解质层表面的负极以及覆盖在负极另一侧的集流体组成；所述的复合正极层由正极和用于传导离子和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全固态氟化碳锂电池，其特征在于：由多个电池单元重复叠片串联构成；每个电池单元均由集流体、涂布在集流体一侧的复合正极层、涂布或热压在复合正极层表面的固态电解质层、覆盖在固态电解质层表面的负极以及覆盖在负极另一侧的集流体组成；所述的复合正极层由60%～90%的氟化碳、2%～5%的导电剂、2%～5%的粘结剂以及5%～35%的硫化物固态电解质组成；所述的负极为金属锂负极或锂铟合金负极；位于两端的集流体引出正负极耳后采用铝塑膜整体封装。2.根据权利要求1所述的一种全固态氟化碳锂电池，其特征在于，所述的集流体为厚度2um～12um的铜箔或不锈钢箔。3.根据权利要求1所述的一种全固态氟化碳锂电池，其特征在于，所述的氟化碳为氟化石墨、氟化碳纤维、氟化碳纳米管中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种全固态氟化碳锂电池，其特征在于，所述的导电剂为炭黑、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的一种全固态氟化碳锂电池，其特征在于，所述的粘结剂为丁苯橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶或聚乙烯
‑
醋酸乙烯酯。6.根据权利要求1所述的一种全固态氟化碳锂电池，其特征在于，所述的硫化物固态电解质为LGPS型硫化物固态电解质、Argyrodite型硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卓然，罗升，吴磊，张明，赵佳欢，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：