一种固态双极性锂电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种固态双极性锂电池及其制备方法，由正极端、电池芯单元和负极端依次堆叠，涂覆封口胶后封装入模具中，先在65~85℃进行预固化最少5小时，再在高能电子束辐照最低100KGy的辐照剂量下原位交联固化获得；其中，所述电池芯单元由固态电解质层一、双极电芯、固态电解质层二依次堆叠后构成，所述双极电芯为将正极电极浆料和负极电极浆料分别涂覆在集流体的两侧面后烘干制得的片状材料，所述涂覆正极电极浆料的一面为正极面，所述涂覆负极电极浆料的一面为负极面。本发明专利技术将正负极材料双面涂覆于同一张集流体上，使得电芯内部电路的连接方式由现有的并联变为串联，从而可以实现在不改变原有电极材料的情况下提升电池内电势和能量密度的效果。电势和能量密度的效果。电势和能量密度的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种固态双极性锂电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体涉及一种固态双极性锂电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会发展，锂离子电池作为电化学储能器件得到广泛应用，为了进一步提升其应用潜力，对锂离子电池的能量密度的提升提出了更高的要求。现有商用锂离子电池的能量密度在300Wh/kg，锂离子电池能量密度之所以无法进一步提升、无法满足日益增长的市场需求的原因之一是受现有工艺的限制。
[0003]目前的锂离子电池生产工艺为缠绕工艺，即在铝箔(和铜箔)的双面分别均匀涂覆正极电极材料或负极电极材料，即同一张箔片双面涂覆同一种电极材料。通过缠绕工艺制备的电池，缺点在于内部电路为并联，输出电压由涂覆的正负极电极材料决定，使得单体电芯能量密度在现有的、常用的且稳定的正负极电极材料中无法进一步提高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种固态双极性锂电池及其制备方法。
[0005]本专利技术提供的固态双极性锂电池由正极端、电池芯单元和负极端依次堆叠，涂覆封口胶后封装入模具中，先在65～85℃下进行预固化最少5小时，再在高能电子束辐照最低100KGy的辐照剂量下原位交联固化获得；其中，所述电池芯单元由固态电解质层一、双极电芯、固态电解质层二依次堆叠后构成，所述双极电芯为将正极电极浆料和负极电极浆料分别涂覆在集流体的两侧面后烘干制得的片状材料，所述涂覆正极电极浆料的一面为正极面，所述涂覆负极电极浆料的一面为负极面；组装电池芯单元时，所述双极电芯可以为单层或多层，当所述双极电芯为多层时，相邻两层双极电芯间通过一层固态电解质层隔开；所述正极端为将正极电极浆料单面涂覆在铝箔上烘干制得，所述负极端为将负极电极浆料涂覆在铜箔上烘干制得；所述正极端的涂覆面与所述固态电解质层一的一面接触；所述固态电解质层一的另一面与所述双极电芯的负极面接触；所述负极端的涂覆面与所述固态电解质层二的一面接触；所述固态电解质层二的另一面与所述双极电芯的正极面接触。
[0006]进一步，所述固态电解质层是在保护气氛下，将聚合物电解质、锂盐和前驱体按比例混合均匀后，将多孔隔膜在上述混合物中充分浸泡后烘干制得；所述多孔隔膜为多孔纤维素膜、多孔尼龙膜、多孔PVA膜、多孔PP膜或多孔PE膜的其中一种。
[0007]进一步，所述聚合物电解质为聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯
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共六氟丙烯、聚(丙烯腈
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甲基丙烯酸甲酯
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苯乙烯)或聚(氯乙烯
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醋酸乙烯)中的一种或几种。
[0008]进一步，所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂中的至少一种。
[0009]进一步，所述前驱体包含预聚体和引发剂，所述预聚体含有乙烯基、丙烯基的双键官能团或环氧官能团单体，包括丙烯酸酯、丙烯腈、甲氧基丙烯酸酯、丙烯酰胺、2
‑
丙烯酰
胺
‑2‑
甲基丙磺酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、苯乙烯、硅氧烷、乙酸酯的至少一种；所述引发剂为有机过氧化物引发剂、无机过氧引发剂、偶氮类引发剂或氧化还原引发剂的至少一种。
[0010]进一步，所述集流体为不锈钢箔、铜铝复合箔或铜镍复合箔的其中一种。
[0011]进一步，所述集流体为铜铝复合箔时，将正极电极浆料涂覆在铜铝复合箔上的铝金属侧，将负极电极浆料涂覆在铜铝复合箔上的铜金属侧。
[0012]进一步，所述集流体为铜镍复合箔时，将正极电极浆料涂覆在铜镍复合箔上的铜金属侧，将负极电极浆料涂覆在铜镍复合箔上的镍金属侧。
[0013]进一步，当所述正极电极材料为含锂正极材料时，所述负极电极材料为无锂负极材料或含锂负极材料；当所述正极电极材料为无锂正极材料时，所述负极电极材料为含锂负极材料。
[0014]进一步，所述含锂正极材料包括如下任意一种：层状结构的氧化物正极材料、尖晶石结构的正极材料、橄榄石型的正极材料；所述含锂负极材料包括如下任意一种：钛酸锂负极材料、金属锂负极材料、含金属锂的复合负极材料；所述无锂负极材料包括如下任意一种：碳基负极材料，硅基负极材料、氧化物基负极材料、硫化物基负极材料、氟化物基负极材料；所述无锂正极材料包括如下任意一种：氧化物正极材料、硫化物正极材料、氮化物正极材料，氟化物正极材料。
[0015]本专利技术的有益效果在于：
[0016]1、现有缠绕工艺条件下，电芯内部电路的连接方式为并联，使得电池在内电势只与电极材料的本身特性有关，因此大量的研发思路被引向开发新的高工作电压和高能量密度的电极材料。而本专利技术的双极性电池是将正负极材料双面涂覆于同一张集流体上，这种双面涂覆的工艺使得电芯内部电路的连接方式变为串联(内串)，从而可以实现在不改变原有电极材料的情况下提升电池内电势和能量密度的效果。
[0017]2、本专利技术是基于电芯内部电路串联的方式制备的，而内部电路串联为了避免内短路，对定向的离子传导有严格的要求。本专利技术提出采用聚合物固态电解质和原位固化结合的方式，实现定向的离子传导。由于内部使用的是不自由流动的固态电解质，能够满足双极性电池中内电路串联所需的定向离子传导的要求，避免了双极性电池内短路；同时原位固化能够构建电极内部和电解质界面的定向离子传导通路，保证离子传导通路的连续和电池循环的稳定性，为双极性电池的实现提供了兼顾安全性和能量密度提升的解决方案。
[0018]3、现有的锂电池中常用的集流体为铜箔和铝箔。本专利技术提出的双极电芯是以不锈钢箔、铜铝复合箔或铜镍复合箔为集流体，与单面涂覆的正极端和负极端及固态电解质一起构成固态双极性锂电池。本专利技术采用可双面涂覆的集流体，高电位的材料(正极)涂覆在耐高压的金属侧(比如铝或镍侧)；低电位的材料(负极)涂覆在耐还原的金属侧(比如铜侧)。铝金属在低电位下会与锂离子反应形成合金，使得铝集流体粉化，无法正常工作，因此铝金属用作正极集流体，而不用作负极的集流体，采用本专利技术的技术方案，还解决了现有技术中铝集流体粉化的问题。
[0019]4、本专利技术的固态双极性锂电池的制备方法能够涵盖现有工艺大部分的正负极材料，工艺步骤与现有技术的大体一致，因此可以更好的符合现有的锂电池生产线，降低工艺改造成本，降低本专利技术的固态双极性锂电池的制备成本。
[0020]5、本专利技术采用堆叠工艺制备的固态双极性锂电池，将现有的正负极电极材料制备的锂离子电池能量密度进一步提升，同时得益于电池固态化的作用，提高电池的安全性。
[0021]6、本专利技术对固态双极性锂电池热固化工艺进行了深入研究，确定了需要热固化与辐射固化共同完成固化工艺，并且确定了热固化的最短时间及辐射固化的最小剂量，为从加工工艺角度提升电池质量的研发思路提供了参考。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的固态双极性锂电池的结构示意图；
[0023]图2为实施例1的首圈电压
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态双极性锂电池，其特征在于，所述固态双极性锂电池的制备方法是由正极端、电池芯单元和负极端依次堆叠，涂覆封口胶后封装入模具中，先在65~85℃下进行预固化最少5小时，再在高能电子束辐照最少100KGy的辐照剂量下原位交联固化获得；其中，所述电池芯单元由固态电解质层一（1）、双极电芯、固态电解质层二（6）依次堆叠后构成，所述双极电芯为将正极电极浆料和负极电极浆料分别涂覆在集流体（3）的两侧面后烘干制得的片状材料，所述涂覆正极电极浆料的一面为正极面（4），所述涂覆负极电极浆料的一面为负极面（2）；组装电池芯单元时，所述双极电芯可以为单层或多层，当所述双极电芯为多层时，相邻两层双极电芯间通过一层固态电解质层隔开；所述正极端（5）为将正极电极浆料单面涂覆在铝箔上烘干制得，所述负极端（7）为将负极电极浆料涂覆在铜箔上烘干制得；所述正极端的涂覆面与所述固态电解质层一（1）的一面接触；所述固态电解质层一（1）的另一面与所述双极电芯的负极面（2）接触；所述负极端（7）的涂覆面与所述固态电解质层二（6）的一面接触；所述固态电解质层二（6）的另一面与所述双极电芯的正极面（4）接触。2.根据权利要求1所述固态双极性锂电池，其特征在于，所述固态电解质层是在保护气氛下，将聚合物电解质、锂盐和前驱体按比例混合均匀后，将多孔隔膜在上述混合物中充分浸泡后烘干制得；所述多孔隔膜为多孔纤维素膜、多孔尼龙膜、多孔PVA膜、多孔PP膜或多孔PE膜的其中一种。3.根据权利要求2所述固态双极性锂电池，其特征在于，所述聚合物电解质为聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯
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共六氟丙烯、聚 (丙烯腈
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甲基丙烯酸甲酯
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苯乙烯)或聚（氯乙烯
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醋酸乙烯）中的一种或几种。4.根据权利要求2所述固态双极性锂电池，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金保，李睿洋，杨阳，
申请(专利权)人：杨阳，
类型：发明
国别省市：