一种具有三维结构的电极-电解质一体组件及其制备工艺制造技术

一种具有三维结构的电极

【技术实现步骤摘要】
一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件及其制备工艺


[0001]本专利技术属于电池制备
，具体涉及一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件及其制备工艺
。

技术介绍

[0002]锂电池在我们日常生活中起着至关重要的作用，但是由于电解液的不安全性，成为其发展的最大阻碍，于是固态锂电池开始进入到人们的视野
。
固态锂电池的出现使得锂金属负极的使用成为了可能，这有利于锂电池突破现有材料能量密度的束缚
。
但是在传统固态锂电池中仍然存在着界面阻抗大
、
低载量等问题，其严重限制了其实际使用，而结构设计被认为是解决上述问题的有效方法
。
[0003]3D
打印技术是一种理想的先进制造技术
。
相对于传统固态锂电池制造方法，
3D
打印技术不仅操作简单，还可以通过计算机精准控制实现电解质与电极界面丰富的结构设计，进而解决传统固态锂电池的问题
。
[0004]因此，寻找一种电极与电解质高度集成并且实现二维界面向三维界面转变的电极
‑
电解质一体组件及其制备工艺对固态锂电池的制造具有极其重要的意义
。
本专利技术通过
3D
打印技术实现了将复合固体电解质填充在三维结构的正极内部并且紧密贴合正极，应用于固态锂电池上能够实现高载量下优异的电化学性能
。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了克服以上不足，本专利技术的目的是提供一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件及其制备工艺，所述电极
‑
电解质一体组件为三维结构，具有高孔隙率，相对于传统固态锂电池，实现了二维界面向三维界面的转变，极大的增加了电解质与正极之间的接触面积
、
缩短了锂离子的传输距离
、
增加了锂离子的传输路径，将其应用在固态锂电池，能够实现高载量下优异的电化学性能，应用前景广泛
。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，包括：正极，所述正极为三维结构；所述正极包括磷酸铁锂
、
导电剂和聚偏氟乙烯；复合固体电解质，所述复合固体电解质填充在正极内部并且紧密贴合正极；所述复合固体电解质包括聚己内酯
、
双三氟甲基磺酰亚胺锂
、
无机填料
。
[0007]本专利技术所述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，将复合固体电解质填充在三维结构的正极内部并且紧密贴合正极，相对于传统固态锂电池，实现了二维界面向三维界面的转变，极大的增加了电解质与正极之间的接触面积
、
缩短了锂离子的传输距离
、
增加了锂离子的传输路径，将其应用在固态锂电池，能够实现高载量下优异的电化学性能，为提高固态锂电池性能提供一种新途径
。
[0008]进一步的，上述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，所述正极采用挤出型
3D
打印机打印制得，其三维结构为直线沿水平
、
竖直方向相互连接的网格结构
。
[0009]3D
打印技术不仅操作简单，还可以通过计算机精准控制实现正极的结构设计
。
[0010]进一步的，上述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，所述导电剂为化学还原氧化石墨烯，所述正极的磷酸铁锂
、
导电剂和聚偏氟乙烯的质量比为7‑9：1‑3：
1。
[0011]进一步的，上述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，所述复合固体电解质的双三氟甲基磺酰亚胺锂与聚己内酯的锂氧比为1：
10
‑
50
，所述无机填料占复合固体电解质总质量的
10
‑
60%。
[0012]进一步的，上述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，所述聚己内酯的数均分子量为
10000
‑
100000 g
·
mol
‑1。
[0013]进一步的，上述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，所述无机填料为磷酸钛铝锂
Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3。
[0014]S1
正极的制备：将磷酸铁锂
、
导电剂和聚偏氟乙烯制得正极油墨，将所述正极油墨装入挤出型
3D
打印机的料筒中，按照软件所构建的三维结构，使用挤出式
3D
打印机进行正极的打印，制得正极；
S2
复合固体电解质的制备：将聚己内酯
、
双三氟甲基磺酰亚胺锂
、
无机填料制得复合固体电解质油墨，将所述复合固体电解质油墨装入挤出型
3D
打印机的料筒中，按照软件所构建的等距螺旋线型图案结构，使用挤出式
3D
打印机进行复合固体电解质的打印，制得复合固体电解质；
S3
电极
‑
电解质一体组件的制备：所述正极置于未干燥的所述复合固体电解质中，进行固化处理，制得电极
‑
电解质一体组件
。
[0015]所述电极
‑
电解质一体组件的制备工艺，步骤简单
、
过程灵活，通过
3D
打印技术制备了具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，具有高度的集成性，正极与复合固体电解质接触紧密，将其应用在固态锂电池中，克服传统的平面结构固态锂电池在高载量下电解质
‑
电极界面阻抗大的问题
。
[0016]进一步的，上述的具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件的制备工艺，所述步骤
S1
，具体包括如下内容：向磷酸铁锂和导电剂加入异丙醇，研磨
10
‑
60min
，烘干后加入聚偏氟乙烯，继续研磨
10
‑
30min
至白色粉末消失，加入溶剂
N
‑
甲基吡咯烷酮，然后在高速混料机中以
2000
‑
5000rpm
的转速进行混料，混料时间设置为1‑
5min
，制得正极油墨；将所述正极油墨装入挤出型
3D
打印机的料筒中，按照软件所构建的三维结构进行正极打印；打印完成后，将制得的正极在去离子水中浸泡1‑
3h
，电极浸泡完成后在冰箱中预冷3‑
5 h
，然后将所述正极在真空冷冻干燥
12 h。
[0017]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，其特征在于，包括：正极（1），所述正极（1）为三维结构；所述正极（1）包括磷酸铁锂
、
导电剂和聚偏氟乙烯；复合固体电解质（2），所述复合固体电解质（2）填充在正极（1）内部并且紧密贴合正极（1）；所述复合固体电解质（2）包括聚己内酯
、
双三氟甲基磺酰亚胺锂
、
无机填料
。2.
根据权利要求1所述的一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，其特征在于，所述正极（1）采用挤出型
3D
打印机打印制得，其三维结构为直线沿水平
、
竖直方向相互连接的网格结构
。3.
根据权利要求1所述的一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，其特征在于，所述导电剂为化学还原氧化石墨烯，所述正极（1）的磷酸铁锂
、
导电剂和聚偏氟乙烯的质量比为7‑9：1‑3：
1。4.
根据权利要求1所述的一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，其特征在于，所述复合固体电解质（2）的双三氟甲基磺酰亚胺锂与聚己内酯的锂氧比为1：
10
‑
50
，所述无机填料占复合固体电解质（2）总质量的
10
‑
60%。5.
根据权利要求1所述的一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，其特征在于，所述聚己内酯的数均分子量为
10000
‑
100000 g
·
mol
‑1。6.
根据权利要求1所述的一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件，其特征在于，所述无机填料为磷酸钛铝锂
Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3。7.
根据权利要求1至6任一项所述的一种具有三维结构的电极
‑
电解质一体组件的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1
正极的制备：将磷酸铁锂
、
导电剂和聚偏氟乙烯制得正极油墨，将所述正极油墨装入挤出型
3D
打印机的料筒中，按照软件所构建的三维结构，使用挤出式
3D
打印机进行正极的打印，制得正极（1）；
S2
复合固体电解质的制备：将聚己内酯
、
双三氟甲基磺酰亚胺锂
、
无机填料制得复合固体电解质油墨，将所述复合固体电解质油墨装入挤出型
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敏，张全权，段超，靳洪允，洪建和，
申请(专利权)人：合源锂创苏州新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：