氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，对无机固态电解质片进行抛光处理，然后进行清洗，再使用精密数控激光加工设备进行打孔加工，在表面形成具有可控孔径、深度和间距的微观孔洞，将电解质与电极接触界面从二维转为三维接触，增大了与电极的有效接触面积。基于本发明专利技术表面处理的氧化物无机陶瓷固态电解质可以提升与电极接触的有效面积，对改善界面接触具有积极作用，有助于实现固态电池的高性能稳定循环。有助于实现固态电池的高性能稳定循环。有助于实现固态电池的高性能稳定循环。

【技术实现步骤摘要】
氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法


[0001]本专利技术属于固态电解质制备
，具体涉及一种氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法。

技术介绍

[0002]储能技术作为新能源发展的核心支撑，囊括了电化学储能、机械储能和蓄热储能在内的多种储能方式。然而，机械储能受限于投资周期过长和地理条件要求严格，如高位地势高低差(如抽水蓄能)、储能密度过低以及蓄能时间较短(如飞轮储能)；以相变储热材料为核心的蓄热储能，其突出缺陷在于高储热温度使得适用场合受限、不可避免的热散失等导致的热损失以及电热反复转化过程中的能量损耗。因此电化学储能凭借其规模灵活可控、能量充放效率高、清洁高效和高能量密度等突出优势得到了广泛的商业化应用。
[0003]当前，锂离子电池作为电化学储能的典型代表，已经获得了广泛的商业化成果，在电子产品、电动汽车和电网储能等领域有着广阔的应用场景。然而，电池在使用过程中不乏出现因电池过充短路造成的热失控现象。与此同时，传统有机电解液存在着挥发性和易燃性问题，极易引发起火甚至爆炸，这给电池的使用带来了极大的安全隐患，例如电动汽车自燃、储能电站起火爆炸等。因此，高安全性高能量密度的锂电池的亟需被开发。
[0004]固态电池以固态电解质代替了液态电池中的电解液构成，这不仅为开发新电化学储能体系提供可能，更重要的是规避了液态电池组规模化集成应用时面临的安全隐患问题，因此固态电解质被普遍认为是下一代电化学储能的发展方向。固态电解质主要包含无机固态电解质和聚合物固态电解质。相较于聚合物固态电解质，无机固态电解质具有更高的离子电导率。且同时相比于液态电池和聚合物固态电解质，无机固态电解质除了在安全领域表现出优异的耐热性能有助于避免热失控外，同时相较于液态电解质具有更高的储能密度、更宽的电化学窗口且有助于抑制锂枝晶的生长。目前研究最为广泛的无机固态电解质主要为氧化物无机固态电解质和硫化物无机固态电解质，其中氧化物无机固态电解质具有暴露在空气环境中相对稳定的优势，这有助于避免硫化物固态电解质对空气中水分敏感的不足，因此获得了人们的广泛关注。
[0005]然而，氧化物无机陶瓷固态电解质和碱金属负极之间的固
‑
固界面接触较差，界面处存在的缺陷限制了碱金属负极和固态电解质的接触面积，从而影响了电池的界面阻抗和临界电流密度，这严重阻碍了无机陶瓷固态电解质的大规模应用。为了实现较小的界面阻抗和较大的临界电流密度，提高固态电解质和碱金属负极之间界面的有效接触面积是相当必要的。
[0006]提高有效接触面积主要可以通过改善碱金属浸润性、增加柔性中间层或增大电解质比表面积等方式实现。其中，通过制造三维的电解质结构取代通常意义上的二维平面结构，可以有效实现增大电极
‑
电解质的接触面积，相应地降低界面阻抗，实现电池高倍率的循环性能。由于无机陶瓷固态电解质较高的硬度，普通的机械造孔易对电解质的本体造成破坏，且较难实现精细化的微孔加工。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于针对氧化物无机陶瓷固态电解质与碱金属负极固
‑
固界面接触较差的问题，提供一种氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，增大了氧化物无机陶瓷固态电解质与碱金属负极的接触面积，降低了界面阻抗，可以有效改善循环性能和电流密度。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：
[0009]氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，设置扩束比、脉冲能量、脉冲次数、脉冲宽度和脉冲重复频率参数，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工，获得表面具有可控孔径、深度和间距的微观孔洞，完成氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工。
[0010]具体的，氧化物无机陶瓷固态电解质片为钙钛矿型固态电解质、LISICON型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质中的一种或几种。
[0011]具体的，氧化物无机陶瓷固态电解质片的厚度为200～1000μm。
[0012]具体的，采用激光打孔方式对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工，激光器的波长为355～1064nm。
[0013]具体的，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工的孔径为10～100μm，打孔深度为10～100μm，打孔间距为10～100μm。
[0014]具体的，扩束比为2～10倍、脉冲能量为20～50W、脉冲次数为1～50次、脉冲宽度为10～100μm，脉冲重复频率为10～200KHz。
[0015]具体的，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工前，先将氧化物无机陶瓷固态电解质片置于无水乙醇中进行超声清洗，然后烘干处理。
[0016]进一步的，无水乙醇的浓度大于等于99.9％。
[0017]进一步的，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行超声清洗前，先对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行磨抛处理。
[0018]更进一步的，磨抛处理使用的砂纸粒度为2000～10000目。
[0019]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0020]本专利技术氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，通过设置扩束比、脉冲能量、脉冲次数、脉冲宽度和脉冲重复频率参数，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工，实现了可控孔径、深度和间距的氧化物无机陶瓷固态电解质的表面打孔，有效提高了其接触面积，增大了电解质与电极的接触面积，这有助于降低界面阻抗和提高临界电流密度，可以改善固态电池的循环性能。
[0021]进一步的，所选择的氧化物无机陶瓷固态电解质片为钙钛矿型固态电解质、LISICON型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质中的一种或几种，目的在于其具备氧化物无机陶瓷固态电解质的较高的离子电导率和维氏硬度，满足与碱金属负极配合实现固态电池的物理化学性能，且符合利用激光技术进行表面加工实现三维界面的物理性质。
[0022]进一步的，所选择的氧化物无机陶瓷固态电解质片的厚度为200～1000μm目的在于氧化物无机陶瓷固态电解质片的厚度通常受到其制备水平的影响，过高的厚度容易使内部不致密从而导致性能较差，过低的厚度易发生脆裂或在激光打孔过程中发生击穿，破坏
电解质片。
[0023]进一步的，所选择的激光器的波长为355～1064nm目的在于匹配绝大部分激光器的适用范围，可根据不同材料的激光的波长以进行表面打孔处理。
[0024]进一步的，所选择的孔径为10～100μm，深度为10～100μm，间距为10～100μm目的在于根据电解质片的厚度和大小选择合适的孔洞参数，在保证电解质的使用性能的前提下合理实现更大的有效接触面积。
[0025]进一步的，所选择的扩束比为2～10倍、脉冲能量为20～50W、脉冲次数为1～50次、脉冲宽度为10～100μm，脉冲重复频率为10～200KHz目的在于通过可控的激光参数，加工出不同孔径、深度和间距的微观孔洞，可以进行精细化调整。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，其特征在于，设置扩束比、脉冲能量、脉冲次数、脉冲宽度和脉冲重复频率参数，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工，获得表面具有可控孔径、深度和间距的微观孔洞，完成氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工。2.根据权利要求1所述的氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，其特征在于，氧化物无机陶瓷固态电解质片为钙钛矿型固态电解质、LISICON型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，其特征在于，氧化物无机陶瓷固态电解质片的厚度为200～1000μm。4.根据权利要求1所述的氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，其特征在于，采用激光打孔方式对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工，激光器的波长为355～1064nm。5.根据权利要求1所述的氧化物无机陶瓷固态电解质三维接触界面表面加工方法，其特征在于，对氧化物无机陶瓷固态电解质片进行打孔加工的孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘家伟，郭伟昌，沈飞，
申请(专利权)人：西安交通大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：