一种含合金型负极和弹性电解质的全固态电池制造技术

本发明专利技术涉及一种含有合金型负极和弹性电解质的全固态电池，电池由合金型负极、弹性电解质和正极组成；所述弹性电解质包括弹性聚合物基质和金属盐，任选的包括增塑剂；其中弹性聚合物的含量为20～95wt.％，金属盐的含量为5～50wt.％，增塑剂的含量为0～50wt.％；弹性电解质的离子电导率为(0.5～100.0)

【技术实现步骤摘要】
一种含合金型负极和弹性电解质的全固态电池


[0001]本专利技术属于固态电池领域，涉及一种含有合金型负极和弹性电解质的全固态电池。

技术介绍

[0002]合金型负极具有比传统插层型负极更高的理论比容量，可用于构建高比能一次电池和二次电池。以硅负极为例，其作为锂离子电池负极材料的理论比容量为3759mAh g
‑1(Li
15
Si4)，是商用石墨负极(372mAh g
‑1)的10倍。以硅作为负极材料的锂离子电池的理论能量密度可达400Wh kg
‑1，在电动汽车和规模化储能领域具有良好应用前景。然而，合金型负极在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀(如硅负极在储锂过程中体积膨胀可达300％以上)，巨大的体积效应使材料发生粉碎，导致合金型负极与有机电解液持续发生副反应，产生不稳定的固体电解质界面(SEI)，造成合金型负极不可逆地失去电接触，迅速恶化的循环性能阻碍了合金型负极的实际应用。
[0003]目前改善合金型负极循环稳定性的方法包括纳米化、碳复合、粘合剂改性和电解液改性。其中，电解液改性可以从根本上改善SEI的结构稳定性，被认为是最有效的合金型负极的改性方法。不同于电解液，固体电解质的使用可以显著减少锂硅合金/电解质界面，有效抑制SEI的形成，同时减缓负极因体积膨胀引起的新SEI的持续增长，提升合金型负极的循环稳定性。然而，无机固态电解质和常规聚合物电解质均存在与合金型负极固固界面接触不充分的问题，并且无法有效的缓解合金锌负极在充放电循环过程中巨大的体积效应，降低了固态全电池的循环寿命、能量密度和功率密度。以上问题也阻碍了基于合金型负极的高性能固态电池的商业化应用。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种含弹性电解质和合金型负极的全固态电池。弹性电解质与合金型负极、正极紧密压制得到全固态电池。弹性电解质具有超大的形变量，其弹性模量显著高于常见固态聚合物电解质、无机固态电解质和液体电解质。合金型负极在嵌锂过程发生膨胀，与合金型负极紧密结合的弹性电解质受压压缩，可减缓合金型负极膨胀对固态电池内部压力的影响。合金型负极在脱锂过程发生体积收缩，与合金型负极紧密结合的弹性电解质减压膨胀，可缓解合金型负极收缩造成的界面接触问题。综上所述，弹性电解质可对合金型负极脱嵌锂过程造成的体积收缩/膨胀做出动态自适应调整，解决固态电池运行过程中合金型负极/导锂层界面接触不稳定的问题，由此减缓合金型负极固态电池容量衰减，提高合金型负极固态电池的循环性能，进而与正极材料组装得到高容量、长寿命、循环稳定的全固态电池。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]一种含有合金型负极和弹性电解质的全固态电池，包括合金型负极、弹性电解质和正极。
[0007]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的合金型负极固定于集流体侧面，所述弹性电解质位于负极和正极之间。
[0008]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的全固态电池选自一次或二次电池；进一步的，所述的全固态电池选自锂电池、钠电池、钾电池、镁电池、钙电池、铝电池中的任一种。
[0009]在本专利技术的优选的实施方式中，合金型负极包括能与金属离子形成合金的金属/非金属及其化合物；进一步的，所述的金属离子为锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、铝离子中的任一种。
[0010]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的弹性电解质通过原位或非原位方式与合金型负极和正极紧密结合；进一步的，组合方法包括以下方式中任一种：
[0011](1)弹性电解质预固化后涂覆于合金型负极一侧继续完成固化；
[0012](2)弹性电解质预固化后涂覆于合金型负极一侧，并贴合正极后，继续完成固化；
[0013](3)弹性电解质的前驱体溶液注入合金型负极与正极之间并完成固化。
[0014]在本专利技术的优选的实施方式中，所述弹性电解质包括弹性聚合物基质和金属盐；任选的，所述弹性电解质还包括增塑剂；其中弹性聚合物的含量为30～85wt.％，锂盐的含量为5～50wt.％，增塑剂的含量为0～50wt.％。
[0015]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的弹性聚合物基质包括热固性弹性体、热塑性弹性体中的一种或多种，或以上述热固/热塑性弹性体为主体的共聚物或混合物；进一步的，所述的热固性弹性体选自天然橡胶、异戊橡胶、聚丁二烯橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶中的一种或几种；所述的热塑性弹性体选自氢化乙烯
‑
丁烯胶、聚酰胺、乙酸乙烯、聚烯烃、聚氨酯中的一种或多种。
[0016]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的金属盐包括无机盐、有机盐中的一种或多种；进一步的，所述的无机盐选自高氯酸盐、四氟硼酸盐、六氟砷酸盐、六氟磷酸盐中的一种或多种，所述的有机盐选自双草酸硼酸盐、二氟草酸硼酸盐、双二氟磺酰亚胺盐、双三氟甲基磺酰亚胺盐中的一种或多种。电解质中金属盐的金属离子可通过电解质传导并作为固态电池的载流子，
[0017]在本专利技术的优选的实施方式中，电解质中增塑剂包括醇、酚、醚、酸、醛、酮、酯、腈、胺等有机分子和离子液体中的一种或多种。此外，所述增塑剂不仅可以促进弹性电解质分子链传输金属离子载流子，而且部分增塑剂可以与弹性电解质分子链发生交联反应，提升弹性电解质的力学性能。
[0018]在本专利技术的优选的实施方式中，所述弹性电解质的离子电导率为0.5
×
10
‑4～100.0
×
10
‑4S cm
‑1，厚度为5～1000μm，弹性形变量为50～500％，并具有阻燃特性。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]1、在电池组装工艺方面，本专利技术采用的三种组装方式，工艺简单且改性效果好。弹性电解质预固化后在合金型负极表面继续完成固化，可提高弹性电解质与合金型负极的结合紧密性，促使弹性电解质可在脱嵌锂过程与合金型负极发生超共形，减少弹性电解质与合金型负极之间的界面阻抗，提高固态合金型负极电池的循环寿命。正极贴合于预固化的弹性电解质后继续完成固化，可提高正极与弹性电解质的结合紧密性，减少正极与弹性电解质之间的界面阻抗，提高合金型负极固态电池的容量。弹性电解质原位固化于合金型负极与正极之间以及两电极的孔隙中，弹性电解质在合金型负极脱嵌锂过程中束缚在合金型
负极颗粒表面，促进锂离子在合金型负极和正极的输运，提高合金型负极固态电池的循环性能。
[0021]2、在电池性能方面，本专利技术设计的固态电池中所采用的弹性电解质具有超大的形变量，其弹性模量显著高于常见固态聚合物电解质、无机固态电解质和液体电解质。弹性电解质具有超大的形变量，可动态自适应充放电过程中合金型负极的显著的体积收缩/膨胀，保证弹性电解质与合金型负极的紧密接触，由此减缓合金型负极固态电池容量衰减，提高固态合金型负极电池的循环性能。
[0022]3、在电池安全性方面，本专利技术设计了一种含弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有合金型负极和弹性电解质的全固态电池，其特征在于，包括合金型负极、弹性电解质和正极。2.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，所述的合金型负极固定于集流体侧面，所述弹性电解质位于负极和正极之间。3.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，所述的全固态电池选自一次或二次电池；进一步的，所述的全固态电池选自锂电池、钠电池、钾电池、镁电池、钙电池、铝电池中的任一种。4.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，合金型负极包括能与金属离子形成合金的金属/非金属及其化合物；进一步的，所述的金属离子为锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、铝离子中的任一种。5.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，所述的弹性电解质通过原位或非原位方式与合金型负极和正极紧密结合；进一步的，组合方法包括以下方式中任一种：(1)弹性电解质预固化后涂覆于合金型负极一侧继续完成固化；(2)弹性电解质预固化后涂覆于合金型负极一侧，并贴合正极后，继续完成固化；(3)弹性电解质的前驱体溶液注入合金型负极与正极之间并完成固化。6.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，所述弹性电解质包括弹性聚合物基质和金属盐；任选的，所述弹性电解质还包括增塑剂；其中弹性聚合物的含量为30～85wt.％，锂盐的含量为5～50wt.％，增塑剂的含量为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，牛津，史永正，杨娜，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：