【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于固态电池，涉及一种全固态电池及其制备方法，尤其涉及一种固态电解质及全固态电池的制造方法。
技术介绍
1、固态电解质由于其优异的力学性能和电学性能，可满足锂离子电池的使用安全性和电池的高能设计需求。现有固态电池设计中多采用固体电解质材料制备得到膜片状的固态电解质层，并装配在正、负极间以实现离子传导。然而，固态电池应用技术还存在以下问题：(1)膜片状固态电解质层使得电极-固态电解质界面的接触形式单一且接触面积较小，导致离子传导位点有限、离子电导率较低；同时在厚电极应用中，这种单一界面接触形式也导致电极活性材料利用率大大降低，进而降低电池能量密度。(2)固态电池在实际应用中的锂枝晶问题仍会对电池的循环稳定性和安全性造成影响。上述存在的问题均会导致电池的功率密度不高、循环稳定性差等问题。针对这些问题，从电池结构设计出发，使用具有良好设计的多孔结构是改善电池整体性能的有效途径。
2、传统制备多孔结构甚至是具有梯度多孔结构通常使用多层浆料浇筑或堆叠、添加孔模板等方法实现，具体是通过控制各涂层材料的颗粒大小、压实密度或孔模板含量来调节每层的孔隙率变化。这种方法得到的多孔结构内部孔隙分布无序并随机连接，此外后期机械轧制处理可能导致涂层内部组分分布的均一性发生变化，从而影响电池性能。
技术实现思路
1、为了解决
技术介绍
中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种有效提升整体动力学性能、提升电池循环性能和功率密度的固态电解质及全固态电池的制造方法。
2、为实现上述目
3、一种固态电解质，其特征在于：所述固态电解质是由固态电解质材料制备形成的多孔结构；所述多孔结构中的孔道是呈梯度分布；所述多孔结构是三周期极小曲面结构、晶格型多孔结构或拓扑优化结构。
4、上述多孔结构的相对密度是10～60％；所述孔道的平均孔径为100～500μm。
5、一种基于如前所述的固态电解质所形成的全固态电池，其特征在于：所述全固态电池包括致密电解质层、正极与多孔电解质复合层以及负极与多孔电解质复合层；所述正极与多孔电解质复合层以及负极与多孔电解质复合层均是基于如前所述的固态电解质所形成的复合结构；所述正极与多孔电解质复合层以及负极与多孔电解质复合层分别设置在致密电解质层相对两面。
6、上述正极与多孔电解质复合层包括如前所述的固态电解质所形成的多孔电解质层以及填充在多孔电解质层的孔道内部的正极活性材料；所述负极与多孔电解质复合层包括如前所述的固态电解质所形成的多孔电解质层以及填充在多孔电解质层的孔道内部的负极材料。
7、上述全固态电池还包括设置在正极与多孔电解质复合层外部的正极集流体以及设置在负极与多孔电解质复合层外部的负极集流体。
8、朝向致密电解质层的方向，所述正极与多孔电解质复合层上多孔电解质层中孔道的孔径依次递增。朝向致密电解质层的方向，所述负极与多孔电解质复合层上多孔电解质层中孔道的孔径依次递增。
9、上述正极与多孔电解质复合层上多孔电解质层的厚度以及负极与多孔电解质复合层上多孔电解质层的厚度均是1.5～5mm；所述致密电解质层的厚度是0.5～1.5mm。
10、一种用于制备如前所述的全固态电池的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
11、1)准备全固态电池所用材料；所述材料包括正极活性材料、负极材料、导电剂、粘结剂以及固态电解质材料；优选地，所述正极活性材料是磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂及三元材料中的一种或多种；所述负极材料是石墨、炭黑、石墨烯、硅碳合金、金属锂及其合金中的一种或多种；所述固态电解质材料是聚合物固态电解质、氧化物固态电解质及硫化物固态电解质中的一种或多种；所述导电剂是炭黑、石墨粉、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种；所述粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮(pvp)和聚偏二氟乙烯(pvdf)中的一种或多种；
12、2)基于增材制造工艺形成除负极材料外的复合结构，并对复合结构进行热压共烧结处理，形成烧结体；所述复合结构是正极与多孔电解质复合层、致密电解质层以及负极与多孔电解质复合层上的多孔电解质层；所述增材制造工艺是材料喷射、材料挤出或光固化；
13、3)将负极材料引入经步骤2)所形成的复合结构上，形成全固态电池的雏形结构；所述雏形结构是正极与多孔电解质复合层、致密电解质层以及负极与多孔电解质复合层(8)叠加所形成的复合结构；优选地，所述步骤3)的具体实现方式是：
14、3.1)对步骤2)制备得到的复合结构的烧结体进行预热，所述预热温度为100～180℃；
15、3.2)以烧结体为基板，将负极材料引入至负极与多孔电解质复合层上多孔电解质层的孔道中，形成全固态电池的雏形结构；引入方法为真空熔融法、蒸镀法、磁控溅射法或溶剂挥发法中的任一种，针对特定的负极材料进行选择。
16、4)在全固态电池的雏形结构的正极与多孔电解质复合层(7)外部装配正极集流体(1)，在负极与多孔电解质复合层外部装配负极集流体，辊压处理后对电池进行封装，得到全固态电池。
17、一种根据如前所述的方法制备得到的全固态电池。
18、本专利技术的有益效果是：
19、本专利技术提供了一种固态电解质及全固态电池的制造方法，通过梯度多孔的结构设计大大增加电极-电解质界面接触位点，有效提升整体动力学性能，提升电池循环性能和功率密度；同时结合增材制造技术独特的结构制备和材料分配优势实现固态电解质和电极-电解质复合层的精确可控制备，过程简单且节省材料、降低成本，有利于大规模批量化应用。具体而言，本专利技术具有以下优点：
20、1、相较传统多孔设计，具有优化拓扑设计的三维多孔结构使得电极-电解质界面接触的面积和活性位点大大增加，有效缩短电极材料和电解质之间的离子传输距离，同时提高活性材料利用率，有效提升固态电池功率密度和能量密度；此外多孔结构将锂枝晶的生长限制在孔内，减少电池短路风险，而用于锂金属负极时也可降低局部电流密度，缓解锂金属在循环过程中的体积膨胀，使电极结构更稳定，进而增加电池循环寿命。
21、2、厚电极设计中，由于电极内部离子迁移率有限以及电场各异性，导致锂离子在电极厚度方向会产生非均质输运；同时由于浓度梯度不同，电极内部不同深度的反应动力学不同，电荷输运的传输和反应动力学差异将导致活性材料的反应极化和不充分利用。具有合理孔隙梯度设计的多孔结构可减少沿电荷传输方向增加的电阻，从而补偿反应极化；此外，也可均匀化电极沿厚度方向的锂离子浓度分布，减少离子的非均质传输，从而有效抑制锂枝晶的形成。
22、3、利用高度离散化、智能化的增材制造工艺进行固态电解质及其固态电池的制造，实现功能材料的精确分配、特殊结构的完整再现及批量产品的质量一致，在保证所设计电池功能的同时推动其批量应用。
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1.一种固态电解质，其特征在于：所述固态电解质是由固态电解质材料制备形成的多孔结构；所述多孔结构中的孔道是呈梯度分布；所述多孔结构是三周期极小曲面结构、晶格型多孔结构或拓扑优化结构。
2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：所述多孔结构的相对密度是10～60％；所述孔道的平均孔径为100～500μm。
3.一种全固态电池，其特征在于：所述全固态电池包括致密电解质层(4)、正极与多孔电解质复合层(7)以及负极与多孔电解质复合层(8)；所述正极与多孔电解质复合层(7)以及负极与多孔电解质复合层(8)分别设置在致密电解质层(4)相对两面；
4.根据权利要求3所述的全固态电池，其特征在于：所述正极活性材料(2)填充在所述正极与多孔电解质复合层(7)的多孔电解质层(3)的孔道内部，所述负极材料(5)填充在所述负极与多孔电解质复合层(8)的多孔电解质层(3)的孔道内部。
5.根据权利要求4所述的全固态电池，其特征在于：朝向致密电解质层(4)的方向，所述正极与多孔电解质复合层(7)上多孔电解质层(3)中孔道的孔径依次递增。
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7.根据权利要求6所述的全固态电池，其特征在于：所述全固态电池还包括设置在正极与多孔电解质复合层(7)外部的正极集流体(1)以及设置在负极与多孔电解质复合层(8)外部的负极集流体(6)。
8.根据权利要求3-7任一项所述的全固态电池，其特征在于：所述正极与多孔电解质复合层(7)上多孔电解质层(3)的厚度以及负极与多孔电解质复合层(8)上多孔电解质层(3)的厚度均是1.5～5mm；所述致密电解质层(4)的厚度是0.5～1.5mm。
9.一种用于制备如权利要求8所述的全固态电池的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
10.一种根据权利要求9所述的方法制备得到的全固态电池(9)。
...【技术特征摘要】
1.一种固态电解质，其特征在于：所述固态电解质是由固态电解质材料制备形成的多孔结构；所述多孔结构中的孔道是呈梯度分布；所述多孔结构是三周期极小曲面结构、晶格型多孔结构或拓扑优化结构。
2.根据权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：所述多孔结构的相对密度是10～60％；所述孔道的平均孔径为100～500μm。
3.一种全固态电池，其特征在于：所述全固态电池包括致密电解质层(4)、正极与多孔电解质复合层(7)以及负极与多孔电解质复合层(8)；所述正极与多孔电解质复合层(7)以及负极与多孔电解质复合层(8)分别设置在致密电解质层(4)相对两面；
4.根据权利要求3所述的全固态电池，其特征在于：所述正极活性材料(2)填充在所述正极与多孔电解质复合层(7)的多孔电解质层(3)的孔道内部，所述负极材料(5)填充在所述负极与多孔电解质复合层(8)的多孔电解质层(3)的孔道内部。
5.根据权利要求4所述的全固态电池，其特征在于：朝向致密电解质层...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晨，薛蕾，徐天文，
申请(专利权)人：西安铂力特增材技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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