CN109148818A - 用于全固态锂电池的聚氧化乙烯溶液注装工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于全固态锂电池的聚氧化乙烯溶液注装工艺，该工艺包括混配工序和真空注装工序。首先将量取的原料一并加热。在保温条件下持续搅拌制成聚氧化乙烯溶液，另一方面将半成品全固态锂电池加热，然后在真空条件下注装聚氧化乙烯溶液。本发明解决了电极活性物质之间、电极与固态电解质膜之间结合界面充分接触的难题，为锂离子无障碍传输创造条件，有助于提升全固态锂电池循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池，具体地讲，本发明涉及一种固态锂电池，特别是一种用于全固态锂电池的聚氧化乙烯溶液注装工艺。该技术方案属于化学电源技术领域。
背景技术
全固态锂电池属于一种新型电池，特别适合高端装备配套的电源。全固态电池相对于常规锂电池的区别，主要体现在配套的电解质物理状况不同。电池内置的电解质由液态转换成固态，不是一件简单的等效替换问题，而是涉及组分、工艺及电化学等技术问题。因为，锂电池体系中的电极材料与电解质的结合界面，由固液结合界面转换成固固结合界面，这两种界面物理状态存在本质性的差别，并且影响锂电池的性能。常识可知，固固结合界面之间无润湿性，再加上配套的常规固体电解质材料致密性不高，电极表面平整度差等因素，造成固体电解质与电极界面接触不充分，直接影响组分的扩散和反应效率，易形成空间电荷层，这些不良因素导致产品内阻大、循环性能变差。针对上述现实问题，本行业开展了相关技术研究，已取得一些成果。例如，中国专利公开号：CN107240718A公开了一种固态电池及制备方法，该技术方案的核心是对内置堆垛结构进行快速界面加热，使得电极层中的活性材料颗粒和固体电解质颗粒中的至少一种发生界面熔化，从而实现活性材料颗粒与固体电解质颗粒相连接。此方法尽管有效，但仅解决了活性材料与固体电解质接触点界面连接问题，两者之间仍然有很多空隙。由于空隙直接阻碍锂离子的传输，因此制成的全固态锂电池性能仍然达不到预期。
发明内容
本发明主要针对现有技术的不足，提出一种用于全固态锂电池的聚氧化乙烯溶液注装工艺。该工艺实施条件低、负压注装工效高、充盈质量好、热固化后界面结合牢靠且内阻小。
本发明通过下述技术方案实现技术目标。
用于全固态锂电池的聚氧化乙烯溶液注装工艺，它包括混配工序和真空注装工序。其改进之处在于：所述混配工序是用于制备聚氧化乙烯溶液的工序，首先按配比计量组分中的原料，然后一并加热至60～80℃，在此温度条件下持续搅拌2～24h。所述真空注装工序先将已完成半成品组装的全固态锂电池加热，直至腔体温度也至60～80℃，接着在-70KPa以下环境中，往半成品全固态锂电池的腔体内注入60～80℃的聚氧化乙烯溶液，然后在60～80℃和-70KPa环境中静置至少1h。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
1、充分利用聚氧化乙烯热熔特性，熔化的聚氧化乙烯有两大好处，一是便于与其它组分充分混合；二是便于注装。制成的聚氧化乙烯溶液在真空条件下注入半成品全固态锂电池内腔中，直接填充到正负极的空隙和固态电解质膜的微孔中，以及电极与固态电解质界面之中，此作用彻底解决了电极活性物质之间、电极与固态电解质膜之间结合界面充分接触的难题，为锂离子无障碍传输创造条件，有助于提升全固态锂电池循环寿命；
2、本发明关键工序为真空注装，此工序配套设备为通用设备，所以实现产业化生产无障碍。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明。
实施例1
以2Ah规格的全固态锂电池为例。
首先取用主体构件已安装到位，但未注装聚氧化乙烯溶液的半成品全固态锂电池，旋开预留的注液孔。
注装前，选用按常规配比混配的聚氧化烯溶液，本实施例选用的组分按质量百分比计量如下：聚氧化乙烯30%、溶剂划59%、纳米氧化物陶瓷粉1%和锂盐10%。本实施例中取用的聚氧化乙烯分子量为15万，粉末状，溶剂取用二甲基甲酰胺，纳米氧化物陶瓷粉取用粒径3nm的氧化铝，锂盐取用双氟磺酰亚胺锂。将量取的各组分汇集在一起并加热至65℃±5℃，在此温度条件下持续搅拌2h，完成聚氧化乙烯溶液的混配。
在混配聚氧化乙烯溶液时，将待注装聚氧化乙烯溶液的半成品全固态锂电池加热，当半成品全固态锂电池腔体温度达65℃±5℃和在-75KPa条件下，从预留的注液孔处注装温度保持在65℃±5℃的聚氧化乙烯溶液，然后置放到60～80℃和至少-70KPa环境中静置1h。最后在常温环境下固化，得到预期的全固态锂电池。
实施例2
以2Ah规格的全固态锂电池为例。
首先取用主体构件已安装到位，但未注装聚氧化乙烯溶液的半成品固态锂电池，旋开预留的注液孔。
注装前，选用按常规配比混配的聚氧化乙烯溶液，本实施例选用的组分按质量百分比计量如下：聚氧化乙烯35%、溶剂量50%、纳米氧化物陶瓷粉24%和锂盐13%。本实施例中取用的聚氧化乙烯分子量为20万，粉末状，溶剂取用二甲基甲酰胺，纳米氧化物陶瓷粉取用粒径50nm的氧化硅，锂盐取用双亚胺锂。将量取的各组分汇集在一起并加热至70℃±5℃，在此温度条件下持续搅拌8h，完成聚氧化乙烯溶液的混配。
在混配聚氧化乙烯溶液时，将待注装聚氧化乙烯溶液的半成品全固态锂电池加热，当半成品全固态锂电池腔体温度达70℃±5℃和在-75KPa条件下，从预留的注液孔处注装温度保持在70℃±5℃的聚氧化乙烯溶液，然后置放到60～80℃和至少-70KPa环境中静置4h。最后在常温环境下固化，得到预期的全固态锂电池。
实施例3
以10Ah规格的全固态锂电池为例。
首先取用主体构件已安装，但未注装聚氧化乙烯溶液的半成品固态锂电池，旋开预留的注液孔。
注装前，选用按常规配比混配的聚氧化乙烯溶液，本实施例选用的组分按质量百分比计量如下：聚氧化乙烯44%、溶剂量40%、纳米氧化物陶瓷粉2%和锂盐14%。本实施例中取用的聚氧化乙烯分子量为30万，粉末状，溶剂取用乙腈，纳米氧化物陶瓷粉取用粒径100nm的氧化硅，锂盐取用双亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂的混合物。将量取的各组分汇集在一起并加热至75℃±5℃，在此温度条件下持续搅拌12h，完成聚氧化乙烯溶液的混配。
在混配聚氧化乙烯溶液时，将待注装聚氧化乙烯溶液的半成品全固态锂电池加热，当半成品全固态锂电池腔体温度达75℃±5℃和在-75KPa条件下，从预留的注液孔处注装温度保持在75℃±5℃的聚氧化乙烯溶液，然后置放到60～80℃和至少-70KPa环境中静置8h。最后在常温环境下固化，得到预期的全固态锂电池。
实施例4
以100Ah规格的全固态锂电池为例。
首先取用主体构件已安装，但未注装聚氧化乙烯溶液的半成品固态锂电池，旋开预留的注液孔。
注装前，选用按常规配比混配的聚氧化乙烯溶液，本实施例选用的组分按质量百分比计量如下：聚氧化乙烯50%、溶剂35%、纳米氧化物陶瓷粉空缺、锂盐15%。本实施例中取用的聚氧化乙烯分子量为35万，粉末状，溶剂取用乙腈，锂盐取用双亚胺锂和双氟磺酰锂的混合物，将量取的各组分汇集在一起并加热至75℃±5℃，在此温度条件下持续搅拌24h，完成氧化乙烯溶液的混配。
在混配聚氧化乙烯溶液时，将待注装聚氧化乙烯溶液的半成品全固态锂电池加热，当半成品全固态锂电池腔体温度达75℃±5℃和在-75KPa条件下，从预留的注液孔处注装温度保持在75℃±5℃的聚氧化乙烯溶液，然后置放到60～80℃和至少-70KPa环境中静置24h。最后在常温环境下固化，得到预期的全固态锂电池。
将实施例制成的四例全固态锂电池送至同一测试台架上作循环寿命测试，统一以0.2C充放电，充放电截止电压为4.5V，2.5V，测试结果见下表:
从上述测试结果来看，本发明四例产品在循环500次后，剩余容量均超过90%，此效果比现有技术至少提升容量10%，完全达到预期目标。
本发明合理利用聚氧化乙烯热熔特性，熔化的聚氧化乙烯有两大好处，一是便于与其它组分充分混合；二是便于注装。制成的聚氧化乙烯溶液在真空条件下注入半成品全固态锂电池内腔中，直接填充到正负极的空隙和固态电解质膜的微孔中，以及电极与固态电解质界面之中，此效果彻底解决了电极活性物质之间、电极与固态电解质膜之间结合界面充分接触的难题，为锂离子无障碍传输创造条件，有助于提升全固态锂电池循环寿命。
Claims (1)
1.一种用于全固态锂电池的聚氧化乙烯溶液注装工艺，它包括混配工序和真空注装工序；其特征在于：所述混配工序是用于制备聚氧化乙烯溶液的工序，首先按配比计量组分中的原料，然后一并加热至60～80℃，在此温度条件下持续搅拌2～24h；所述真空注装工序先将已完成半成品组装的全固态锂电池加热，直至腔体温度也至60～80℃，接着在-70KPa以下环境中，往半成品全固态锂电池的腔体内注入60～80℃的聚氧化乙烯溶液，然后在60～80℃和-70KPa环境中静置至少1h。
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