CN107195859A - 一种弥散电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弥散电池的制备方法。本发明属于型弥散电池技术领域。一种弥散电池的制备方法，其特征是：弥散电池的制备方法包括高能量正极层的制备、正极表面导电修饰层的制备、电解质层的制备和负极集流层的制备过程；正极层制备时，将正极活性物质与电子导体、粘结剂混合，采用湿法涂覆的方法获得正极层；然后采用镀层工艺在正极表面依次沉积导电修饰层、电解质层以及负极集流体层，获得弥散电池。本发明具有有效提高固态电池界面兼容性、获得高能量密度和功率密度等优点。
Description
技术领域
本发明属于型弥散电池技术领域，特别是涉及一种弥散电池的制备方法。
背景技术
目前，高性能、高安全性电源的研发是军队信息化、装备现代化的保证。先进装备的发展要求配备高能量、高功率、高安全可靠性、长寿命的化学电源。提高电池能量密度、工作寿命和安全可靠性是长期以来电池技术研究的主要方向。目前的锂离子电池存在着安全性差、快充快放以及续航能力不佳等问题，以固态电解质代替传统液态电解质组装得到的固态电池有望从根本上解决锂二次电池所存在的安全隐患，同时金属锂等在液态体系中无法兼容的高容量电极材料的使用以及电池结构的简化可以进一步提高能量密度，因此可以说固态电池是现代军用设备的理想化学电源。
采用金属锂作为负极是提高电池能量密度最为有效的方法，然而金属锂在充放电过程中不停地无定向溶解沉积产生锂枝晶，不论是对传统液态电解质锂离子电池还是新兴的固态锂电池都是不容忽视的问题，严重影响电池安全性和能量密度的提升。解决锂枝晶问题的一个重要方案是将金属锂负极制备的足够薄，而这样会影响电池能量密度的发挥，因此本发明提出了一种弥散电池保证电池能量密度的同时解决锂枝晶带来的不利影响。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种弥散电池的制备方法。
本发明的目的是提供一种具有有效提高固态电池界面兼容性、获得高能量密度和功率密度等特点的弥散电池的制备方法。
本发明将体积应变小、导电能力强的正极活性物质与电子导体、粘结剂按比例混合，采用湿法涂覆的方法获得能量密度高、大电流充放电能力强的正极层；之后采用不同的镀层工艺在正极表面依次沉积导电修饰层、电解质层以及负极集流体层，以此获得高能量、高功率弥散电池。
本发明弥散电池的制备方法所采取的技术方案是：
一种弥散电池的制备方法，其特点是：弥散电池的制备方法包括高能量正极层的制备、正极表面导电修饰层的制备、电解质层的制备和负极集流层的制备过程；正极层制备时，将正极活性物质与电子导体、粘结剂混合，采用湿法涂覆的方法获得正极层；然后采用镀层工艺在正极表面依次沉积导电修饰层、电解质层以及负极集流体层，获得弥散电池。
本发明弥散电池的制备方法还可以采用如下技术方案：
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：正极活性物质为LiCoO2、三元LiNi1/3Mn1/ 3Co1/3O、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、尖晶石LiMn2O4、5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4、磷酸盐LiMPO4(M＝Fe、Mn)、或富锂材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M＝Ni、Co、Fe)，正极活性物质颗粒粒径0.1μm-100μm，正极涂覆层厚度10μm-100μm。
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：电子导体为乙炔黑、Super P、Super S、350G、碳纤维、碳纳米管、科琴黑、石墨类导电剂、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩的聚合物·聚苯乙烯磺酸盐中的一种或多种组合。
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：粘结剂为耐高温稳定粘结剂，包括有机聚合物粘结剂聚丙烯酸、聚碳酸丙烯酯、氧化乙烯接枝聚硅烷化合物，无机粘结剂水玻璃，酚醛树脂，反钙钛矿结构材料Li3OCl、烧结型导电银浆中的一种或多种组合。
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：涂覆正极所用溶剂为四氢呋喃、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、乙腈、异丙醚、丙酮、丁酮、异丙醇、丁醇、己烷、环己烷、N-N二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、苯、甲苯、二甲基亚砜、四氯化碳、三氯乙烯、吡咯中的一种或多种组合。
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：导电修饰层采用无机材料和聚合物材料，为三氧化二铝、铌酸锂、钛酸锂、聚丙烯酸、聚碳酸丙烯酯、单离子导体、聚硅氧烷中的一种或多种组合；采用的制备方法为磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、金属氧化物化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射镀法、雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、化学镀或物理蒸镀。
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：电解质层采用氧化物玻璃、硫化物玻璃、LiPON、Li3PO4、LiPON掺杂材料包括过渡金属元素Sc-Zn和Y-Cd、第二、三主族元素、第六、七周期元素、钙钛矿型LLTO、反钙钛矿型Li3OCl、NASICON型LATP或LAGP、LISICON锗酸锌锂材料、石榴石型LLZO电解质中的一种或多种组合；采用的制备方法为磁控溅射、射频磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、金属氧化物化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射镀法、电子束蒸发法雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、静电喷涂沉积、气溶胶沉积、化学镀或物理蒸镀。
所述的弥散电池的制备方法，其特点是：负极集流体层采用金属Cu，采用的制备方法包括磁控溅射、射频磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、金属氧化物化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射镀法、电子束蒸发法雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、静电喷涂沉积、气溶胶沉积、化学镀或物理蒸镀。
本发明具有的优点和积极效果是：
由于采用了本发明全新弥散电池的技术方案，与现有技术相比，本发明具有有效提高固态电池界面兼容性、获得高能量密度和功率密度等优点。
附图说明
图1是本发明型弥散电池的局部结构示意图。
图中，1、正极材料，2、导电聚合物，3、固体电解质，4、金属集流体。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1。
实施例1
一种弥散电池的制备方法，包括高能量正极层的制备、正极表面导电修饰层的制备、电解质层的制备日他和负极集流层的制备过程：
1.本发明将体积应变小、导电能力强的正极活性物质与电子导体、粘结剂按比例混合，采用湿法涂覆的方法获得能量密度高、大电流充放电能力强的正极层；之后采用不同的镀层工艺在正极表面依次沉积导电修饰层、电解质层以及负极集流体层，以此获得高能量、高功率弥散电池。
2.本发明采用正极为涂覆式高能量正极片，采用体积应变小、导电能力强的正极活性物质，包括LiCoO2、三元LiNi1/3Mn1/3Co1/3O、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、尖晶石LiMn2O4、5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4，磷酸盐LiMPO4(M＝Fe、Mn等)、富锂材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M＝Ni、Co、Fe)，通过控制正极活性物质颗粒粒径达到0.1μm-100μm，调控正极涂覆层厚度达到10μm-100μm，获得能量密度高、大电流充放电能力强的正极层。
3.本发明正极电子导体采用具有高导电性能的物质，包括乙炔黑、Super P、SuperS、350G、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNTs)、科琴黑(KetjenblackEC300J、KetjenblackEC600JD、Carbon ECP、Carbon ECP600JD)、石墨类导电剂(KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15)、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩的聚合物·聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT·PSS)中的一种或多种组合。
4.本发明正极所用粘结剂为耐高温稳定粘结剂，包括有机聚合物粘结剂聚丙烯酸(PAA)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、氧化乙烯接枝聚硅烷化合物(PSPEG)，无机粘结剂水玻璃，酚醛树脂，反钙钛矿结构材料Li3OCl、烧结型导电银浆中的一种或多种组合。
5.本发明涂覆正极所用溶剂为四氢呋喃、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、乙腈、异丙醚、丙酮、丁酮、异丙醇、丁醇、己烷、环己烷、N-N二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、苯、甲苯、二甲基亚砜、四氯化碳、三氯乙烯、吡咯中的一种或多种组合。
6.本发明正极表面导电修饰层采用导电性能好、耐高温的无机材料和聚合物材料，包括三氧化二铝(Al2O3)、铌酸锂(LiNbO3)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、聚丙烯酸(PAA)、改性聚氧化乙烯化合物(氧化乙烯接枝聚硅烷化合物PSPEG)、聚碳酸酯类(聚碳酸丙烯酯PPC)、单离子导体、聚硅氧烷中的一种或多种组合；采用的制备方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积(PLD)、化学气相沉积(CVD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、离子束溅射镀法(ion-beam)、雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、化学镀、物理蒸镀等。导电修饰层可以在提高正极导电能力的同时，起到抑制电极体积效应的作用。
7.本发明电解质层采用氧化物玻璃、硫化物玻璃、LiPON、Li3PO4、LiPON掺杂材料(包括过渡金属元素Sc～Zn和Y～Cd、第二、三主族元素、第六、七周期元素等)、钙钛矿型LLTO、反钙钛矿型Li3OCl、NASICON型LATP或LAGP、LISICON锗酸锌锂材料、石榴石型LLZO电解质中的一种或多种组合；采用的制备方法包括磁控溅射、射频磁控溅射(RFMSD)、脉冲激光沉积(PLD)、化学气相沉积(CVD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、离子束溅射镀法(ion-beam)、电子束蒸发法(e-beam)雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、静电喷涂沉积(ESD)、气溶胶沉积(AD)、化学镀、物理蒸镀等。电解质层导电性能适中、稳定性高，循环过程中体积应变小。
8.本发明负极集流体层采用金属Cu，采用的制备方法包括磁控溅射、射频磁控溅射(RFMSD)、脉冲激光沉积(PLD)、化学气相沉积(CVD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、离子束溅射镀法(ion-beam)、电子束蒸发法(e-beam)雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、静电喷涂沉积(ESD)、气溶胶沉积(AD)、化学镀、物理蒸镀等。本发明在负极集流体上原位生成负极层，不需要负极活性物质，大大简化了电池制备流程，同时促进了载流子在层间的迁移效率，大幅减小层间界面接触不良、“死锂”产生带来的电池循环和倍率性能低的问题。
本实施例的具体实施过程：
1.高能量正极层的制备：
所采用的正极活性物质为高能量钴酸锂(LiCoO2)材料，导电剂为聚乙撑二氧噻吩的聚合物·聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT·PSS)，粘结剂为聚丙烯酸(PAA)和聚硅氧烷氧化乙烯(如PSPEG)，溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
具体制备步骤如下：
a)将正极活性物质LiCoO2粉体加入2％的PEDOT·PSS水溶液中，做除水处理，获得LiCoO2/PEDOT混合物，质量比为8:1；
b)将正极活性物质与导电剂的混合物LiCoO2/PEDOT与粘结剂(PAA+PSPEG)的NMP溶液混合获得均匀浆料，质量比为9:1；
c)将b)中浆料涂覆于铝箔之上，将其在70℃的温度下过夜烘干。
2.正极表面导电修饰层的制备：
正极表面导电修饰层材料为三氧化二铝(Al2O3)，采用原子层沉积技术(ALD)获得。
具体制备步骤如下：
a)将1中制备好的正极裁剪成直径为8cm的圆片，密封转移，放置于原子层沉积设备的真空反应腔内；
b)以三甲基铝(TMA)和水为前聚体，在惰性气体Ar气氛中，进行原子层沉积循环，沉积温度设定为150℃，反应腔内压强保持在10Pa；
c)待沉积结束后，向真空反应腔内充入惰性气体，将均匀沉积了Al2O3的正极自然冷却至室温，放置于腔中不取出待用。
3.电解质层的制备：
在获得的均匀沉积了Al2O3的高能正极层表面利用ALD技术沉积固态电解质LiPON材料，电解质层所占质量分数为3％。
具体制备步骤如下：
a)对2中放置了样品的反应腔做抽真空处理；
b)以六甲基二硅氨基锂(LiHMDS)作为锂源，三甲基氧膦(TMPO)作为磷源，等离子体电离氮气(N2)作为氮源，进行原子层沉积循环，沉积温度设定为250℃，反应腔内压强保持在10Pa；
c)待沉积结束后，向真空反应腔内充入惰性气体，自然冷却至室温，放置于腔中不取出待用。
4.负极集流层的制备：
在电解质层表面利用ALD的方法沉积Cu作为负极集流层。
具体制备步骤如下：
a)对3中放置了样品的反应腔做抽真空处理；
b)以铜的六氟乙酰丙酮配合物(Cu(hfac)2)以及甲醇作为前聚体，在惰性气体Ar气氛中，进行原子层沉积循环，沉积温度设定为220℃，反应腔内压强保持在10Pa；
c)待沉积结束后，向真空反应腔内充入惰性气体，自然冷却至室温取出。
本实施例弥散电池的制备方法具有所述的有效提高固态电池界面兼容性、获得高能量密度和功率密度等积极效果。
Claims (8)
1.一种弥散电池的制备方法，其特征是：弥散电池的制备方法包括高能量正极层的制备、正极表面导电修饰层的制备、电解质层的制备和负极集流层的制备过程；正极层制备时，将正极活性物质与电子导体、粘结剂混合，采用湿法涂覆的方法获得正极层；然后采用镀层工艺在正极表面依次沉积导电修饰层、电解质层以及负极集流体层，获得弥散电池。
2.根据权利要求1所述的弥散电池的制备方法，其特征是：正极活性物质为LiCoO2、三元LiNi1/3Mn1/3Co1/3O、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、尖晶石LiMn2O4、5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4、磷酸盐LiMPO4(M＝Fe、Mn)、或富锂材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M＝Ni、Co、Fe)，正极活性物质颗粒粒径0.1μm-100μm，正极涂覆层厚度10μm-100μm。
3.根据权利要求1所述的弥散电池的制备方法，其特征是：电子导体为乙炔黑、SuperP、Super S、350G、碳纤维、碳纳米管、科琴黑、石墨类导电剂、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩的聚合物·聚苯乙烯磺酸盐中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的弥散电池的制备方法，其特征是：粘结剂为耐高温稳定粘结剂，包括有机聚合物粘结剂聚丙烯酸、聚碳酸丙烯酯、氧化乙烯接枝聚硅烷化合物，无机粘结剂水玻璃，酚醛树脂，反钙钛矿结构材料Li3OCl、烧结型导电银浆中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的弥散电池的制备方法，其特征是：涂覆正极所用溶剂为四氢呋喃、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、乙腈、异丙醚、丙酮、丁酮、异丙醇、丁醇、己烷、环己烷、N-N二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、苯、甲苯、二甲基亚砜、四氯化碳、三氯乙烯、吡咯中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的弥散电池的制备方法，其特征是：导电修饰层采用无机材料和聚合物材料，为三氧化二铝、铌酸锂、钛酸锂、聚丙烯酸、聚碳酸丙烯酯、单离子导体、聚硅氧烷中的一种或多种组合；采用的制备方法为磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、金属氧化物化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射镀法、雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、化学镀或物理蒸镀。
7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的弥散电池的制备方法，其特征是：电解质层采用氧化物玻璃、硫化物玻璃、LiPON、Li3PO4、LiPON掺杂材料包括过渡金属元素Sc-Zn和Y-Cd、第二、三主族元素、第六、七周期元素、钙钛矿型LLTO、反钙钛矿型Li3OCl、NASICON型LATP或LAGP、LISICON锗酸锌锂材料、石榴石型LLZO电解质中的一种或多种组合；采用的制备方法为磁控溅射、射频磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、金属氧化物化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射镀法、电子束蒸发法雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、静电喷涂沉积、气溶胶沉积、化学镀或物理蒸镀。
8.根据权利要求1至5任一权利要求所述的弥散电池的制备方法，其特征是：负极集流体层采用金属Cu，采用的制备方法包括磁控溅射、射频磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、金属氧化物化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射镀法、电子束蒸发法雾化热解沉积、溶胶凝胶沉积、静电喷涂沉积、气溶胶沉积、化学镀或物理蒸镀。
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