CN109411700A - 一种应用于全固态锂离子电池的正极极片及其制备方法 - Google Patents

一种应用于全固态锂离子电池的正极极片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：其包括正极活性材料、导电剂、粘结剂、锂离子传导介质，一种应用于全固态锂离子电池的正极极片的制备方法，其特征在于：步骤一：将锂离子传导介质加入到N‑甲基吡咯烷酮溶液中，得到溶液A；步骤二：将粘结剂加入到步骤一中得到的溶液A中，得到溶液B；步骤三：在溶液B中缓慢加入导电剂，得到溶液C；步骤四：将正极活性材料加入到溶液C中，得到溶液D；步骤五：在溶液D中加入溶解好的锂盐，得到溶液E；步骤六：将得到的溶液D采用流延涂布的方式涂覆在集流体铝箔上，通过干燥挥发掉溶剂，得到极片A；步骤七：将得到的极片A上采用热压的方式在表面均匀涂覆一层电解质，通过干燥挥发掉溶剂之后进行辊压处理，得到极片B，即为正极极片。

Description

一种应用于全固态锂离子电池的正极极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造领域，涉及了一种全固态锂离子电池的正极极片及其制备方法，还涉及了一种该全固态锂离子电池的正极极片全固态锂离子电池的应用。
背景技术
1992年Sony成功开发出锂离子电池。与镍镉电池相比，锂离子电池中不含有重金属镉，能够使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备重量和体积大大减小以及使用时间大大延长，所以其迅速占领的3C市场。然而随着不可再生的化石燃料的迅速消耗和日益突出的环境问题，使的需要大规模的稳定的储能装置来代替这些间接性的可再生能源。电池作为稳定的储能装置，其中一个主要方向用来代替汽油汽车应用,尤其是纯电动汽车和混合动力电动汽车需求量逐渐增大。传统的液态锂电池技术由于使用易燃液体烷基碳酸酯为主的电解液，使其存在的一定的安全隐患。全固态锂电池的阳极、电解质、阴极中不含常温液态分子,是提高电池安全性能的一种有效方法。全固态电解质分为有机高分子固态电解质和无机化合物固态电解质两大类，无机固态电解质电极接触界面阻抗大，所以目前难以商用；有机高分子全固态电解质有多种体系，相比于无机固态电解质其目前应用的灵活性更高。然而固态电解质用于电池，极片与电解质之间存在较大的界面电阻，由于锂离子经过固态电解质在电池中迁移，固态电池与电极极片的接触状态极大的影响了电池性能。如果极片与固态电解质之间接触不好，并且极片内部没有足够的锂离子扩散通道，锂离子迁移受到影响，降低了电池的容量。利用固态电解质包覆到正极活性材料，确保正极材料颗粒间锂离子通道畅通性。当做成正极极片时，该结构能够改善电解质与正极的接触状态，及其极片内部本身锂离子通道的建立。
发明内容
本发明的目的是：针对上述不足，提供一种应用于全固态锂离子电池的正极极片及其制备方法，是一种满足实用要求的复合的传输锂离子的复合正极极片。其能够有效降低组装电池的阻抗，使固态电池的材料克容量发挥超过液态电池的性能发挥。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：其包括快锂离子传导陶瓷粉体包覆好的正极活性材料、导电剂、粘结剂、锂离子传导介质，其中正极活性材料质量占比为70-90％，导电剂质量占比为3-10％，粘结剂质量占比为2-10％，锂离子传导介质质量占比为5-15％。
所述正极活性材料包括锂镍钴锰氧化物，锂钴氧化物，磷酸铁锂化合物，尖晶石锂锰氧化物。
所述锂离子传导陶瓷粉体为Li0.5La0.5TiO3，Li7La3Zr2O12中一种及多种的混合。
所述导电剂包括炭黑(AB)、Super-P、KS－6、导电石墨、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯中一种及多种的混合。
所述粘结剂包括选聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)以及聚酰亚胺中的一种或多种。
所述锂离子传导介质包括高分子聚氧化乙烯体系(PEO)，其分子量有10万，50万，70万，100万，200万，500万。
与高分子聚氧化乙烯体系(PEO)起络合反应的锂盐包括LiClO4、LiBOB3、LiPF6以及CF3SO2NLiSO2CF3组成的一种或几种。
一种应用于全固态锂离子电池的正极极片的制备方法，步骤一：将1份重量的锂离子传导介质加入到10份重量的N-甲基吡咯烷酮溶液中，加热至40-45°使锂离子传导介质充分溶解，得到溶液A；
步骤二：将粘结剂加入到步骤一中得到的溶液A中，通过搅拌，使得粘结剂充分溶解于溶液A中，得到溶液B；
步骤三：在溶液B中加入导电剂，分散搅拌2小时，使得导电剂充分溶解于溶液B中，得到溶液C；
步骤四：采用激光脉冲沉积法将快锂离子传导陶瓷粉体包覆于正极活性材料上，脉冲激光200mJ每次，频率10Hz，作用于正极活性材料上的能量密度为1.2J/cm2。整个反应过程在充满氮气气氛中进行。导陶瓷粉体包覆质量比为1-3％，厚度0.5um。
步骤五：将包覆好的正极活性材料加入到溶液C中，分散搅拌2小时使正极活性材料在溶液C中充分分散，得到溶液D；
步骤六：在溶液D中加入溶解好的锂盐，发生络合反应，并搅拌均匀使之完全分散，得到溶液E；
步骤七：将得到的溶液E采用涂覆在14um厚的集流体铝箔上，通过105℃鼓风干燥2h挥发掉溶剂，真空105℃干燥12h得到极片，即为正极极片；
步骤八：将得到的正极极片进行分切、辊压处理后，组装2032型扣式固态电池，其对应的负极为金属锂片表面，所用的固态电解为40um厚的聚氧化乙烯、锂盐、快锂离子传导陶瓷粉体结合制备的。通过新威电池测试仪在60℃对组装好的扣式电池进行电化学性能测试。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：采用快锂离子导体包覆好的正极活性粉体制备好的正极极片组装电池。其能够有效降低组装电池的阻抗，使固态电池的材料克容量发挥超过液态电池的性能发挥。
附图说明
图1示出所得极片形貌结果的SEM图。
图2示出所得极片扣式电池测试充放电曲线图。
图3示出所得极片扣式电池测试交流阻抗测试图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：其包括快锂离子传导陶瓷粉体包覆好的正极活性材料、导电剂、粘结剂、锂离子传导介质，其中正极活性材料质量占比为70-90％，导电剂质量占比为3-10％，粘结剂质量占比为2-10％，锂离子传导介质质量占比为5-15％。
所述正极活性材料包括锂镍钴锰氧化物，锂钴氧化物，磷酸铁锂化合物，尖晶石锂锰氧化物。
所述锂离子传导陶瓷粉体为Li0.5La0.5TiO3，Li7La3Zr2O12中一种及多种的混合。
所述导电剂包括炭黑(AB)、Super-P、KS－6、导电石墨、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯中一种及多种的混合。
所述粘结剂包括选聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)以及聚酰亚胺中的一种或多种。
所述锂离子传导介质包括高分子聚氧化乙烯体系(PEO)，其分子量有10万，50万，70万，100万，200万，500万。
与高分子聚氧化乙烯体系(PEO)起络合反应的锂盐包括LiClO4、LiBOB3、LiPF6以及CF3SO2NLiSO2CF3组成的一种或几种。
一种应用于全固态锂离子电池的正极极片的制备方法，具体步骤如下。
步骤一：将1份重量的分子量为70万聚氧化乙烯加入到10份重量的N-甲基吡咯烷酮溶液中，加热至40℃-45℃使聚氧化乙烯充分溶解，得到溶液A。其中聚氧化乙烯质量占比优选为5.8％。
步骤二：将粘结剂聚偏二氟乙烯加入到步骤一中得到的溶液A中，通过搅拌，使得粘结剂充分溶解于溶液A中，得到溶液B。其中粘结剂聚偏二氟乙烯质量占比优选为2.0％。
步骤三：在溶液B中加入导电剂Super-P，分散搅拌2小时，使得导电剂充分溶解于溶液B中，得到溶液C。其中导电剂Super-P质量占比优选为4％。
步骤四：采用激光脉冲沉积法将快锂离子传导陶瓷粉体Li7La3Zr2O12包覆于正极活性材料上，脉冲激光200mJ每次，频率10Hz，作用于正极活性材料锂镍钴锰氧化物上的能量密度为1.2J/cm2。整个反应过程在充满氮气气氛中进行。导陶瓷粉体包覆质量比优选为2％，厚度0.5um。
步骤五：将包覆好的正极活性材料锂镍钴锰氧化物加入到溶液C中，分散搅拌2小时使正极活性材料在溶液C中充分分散，得到溶液D。其中包覆好的正极活性材料锂镍钴锰氧化物质量占比优选为85％。
步骤六：在溶液D中加入溶解好的锂盐CF3SO2NLiSO2CF3，发生络合反应，并搅拌均匀使之完全分散，得到溶液E。其中锂盐CF3SO2NLiSO2CF3质量占比优选为3.8％。
步骤七：将得到的溶液E采用涂覆在14um厚的集流体铝箔上，通过105℃鼓风干燥2h挥发掉溶剂，真空105℃干燥12h得到极片，即为固态电池用复合正极极片；
步骤八：将得到的正极极片进行分切、辊压处理后，组装2032型扣式固态电池，其对应的负极为金属锂片表面，所用的固态电解为40um厚的聚氧化乙烯、锂盐、快锂离子传导陶瓷粉体结合制备的。通过新威电池测试仪在60℃对组装好的扣式电池进行电化学性能测试。
实施例二：
一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：其包括快锂离子传导陶瓷粉体包覆好的正极活性材料、导电剂、粘结剂、锂离子传导介质，其中正极活性材料质量占比为70-90％，导电剂质量占比为3-10％，粘结剂质量占比为2-10％，锂离子传导介质质量占比为5-15％。
所述正极活性材料包括锂镍钴锰氧化物，锂钴氧化物，磷酸铁锂化合物，尖晶石锂锰氧化物。
所述锂离子传导陶瓷粉体为Li0.5La0.5TiO3，Li7La3Zr2O12中一种及多种的混合。
所述导电剂包括炭黑(AB)、Super-P、KS－6、导电石墨、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯中一种及多种的混合。
所述粘结剂包括选聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)以及聚酰亚胺中的一种或多种。
所述锂离子传导介质包括高分子聚氧化乙烯体系(PEO)，其分子量有10万，50万，70万，100万，200万，500万。
与高分子聚氧化乙烯体系(PEO)起络合反应的锂盐包括LiClO4、LiBOB3、LiPF6以及CF3SO2NLiSO2CF3组成的一种或几种。
一种应用于全固态锂离子电池的正极极片的制备方法，具体步骤如下。
步骤一：将1份重量的分子量70万聚氧化乙烯加入到10份重量的N-甲基吡咯烷酮溶液中，加热至40-45°使聚氧化乙烯充分溶解，得到溶液A；
步骤二：将粘结剂聚偏二氟乙烯加入到步骤一中得到的溶液A中，通过搅拌，使得粘结剂充分溶解于溶液A中，得到溶液B；
步骤三：在溶液B中加入导电剂Super-P与碳纳米管，机械搅拌2小时，使得导电剂充分溶解于溶液B中，得到溶液C；其中导电剂Super-P与碳纳米管质量占比优选分别为2％与1％。
步骤四：采用激光脉冲沉积法将快锂离子传导陶瓷粉体Li0.5La0.5TiO3包覆于正极活性材料上，脉冲激光200mJ每次，频率10Hz，作用于正极活性材料锂镍钴锰氧化物上的能量密度为1.2J/cm2。整个反应过程在充满氮气气氛中进行。导陶瓷粉体包覆质量比为2％，厚度0.5um。
步骤五：将包覆好的正极活性材料锂镍钴锰氧化物加入到溶液C中，机械搅拌2小时使正极活性材料在溶液C中充分分散，得到溶液D；
步骤六：在溶液D中加入溶解好的锂盐CF3SO2NLiSO2CF3，发生络合反应，并搅拌均匀使之完全分散，得到溶液E；
步骤七：将得到的溶液E采用涂覆在14um厚的集流体铝箔上，通过105℃鼓风干燥2h挥发掉溶剂，真空105℃干燥12h得到极片1；
步骤八：将得到的正极极片进行分切、辊压处理后，组装2032型扣式固态电池，其对应的负极为金属锂片表面，所用的固态电解为40um厚的聚氧化乙烯、锂盐、快锂离子传导陶瓷粉体结合制备的。通过新威电池测试仪在60℃对组装好的扣式电池进行电化学性能测试。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：其包括快锂离子传导陶瓷粉体包覆好的正极活性材料、导电剂、粘结剂、锂离子传导介质，其中正极活性材料质量占比为70-90％，导电剂质量占比为3-10％，粘结剂质量占比为2-10％，锂离子传导介质质量占比为5-15％。
2.根据权利要求1所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：所述正极活性材料为锂镍钴锰氧化物，锂钴氧化物，尖晶石锂锰氧化物，磷酸铁锂化合物。
3.据权利要求1所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：所述锂离子传导陶瓷粉体为Li0.5La0.5TiO3，Li7La3Zr2O12中一种及多种的混合。
4.根据权利要求1所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：所述导电剂包括炭黑(AB)、Super-P、KS－6、导电石墨、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯中一种及多种的混合。
5.根据权利要求1所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：所述粘结剂包括选聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)以及聚酰亚胺中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：所述锂离子传导介质包括高分子聚氧化乙烯体系(PEO)，其分子量有10万，50万，70万，100万，200万，500万。
7.根据权利要求5所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片，其特征在于：与高分子聚氧化乙烯体系(PEO)起络合反应的锂盐包括LiClO4、LiBOB3、以及CF3SO2NLiSO2CF3组成的一种或几种。
8.一种应用于全固态锂离子电池的正极极片的制备方法，其特征在于：步骤一：将1份重量的锂离子传导介质加入到10份重量的N-甲基吡咯烷酮溶液中，加热至40-45°使锂离子传导介质充分溶解，得到溶液A；
步骤二：将粘结剂加入到步骤一中得到的溶液A中，通过搅拌，使得粘结剂充分溶解于溶液A中，得到溶液B；
步骤三：在溶液B中加入导电剂，分散搅拌2小时，使得导电剂充分溶解于溶液B中，得到溶液C；
步骤四：采用激光脉冲沉积法将快锂离子传导陶瓷粉体包覆于正极活性材料上，脉冲激光200mJ每次，频率10Hz，作用于正极活性材料上的能量密度为1.2J/cm2。整个反应过程在充满氮气气氛中进行。导陶瓷粉体包覆质量比为1-3％，厚度0.5um。
步骤五：将包覆好的正极活性材料加入到溶液C中，分散搅拌2小时使正极活性材料在溶液C中充分分散，得到溶液D；
步骤六：在溶液D中加入溶解好的锂盐，发生络合反应，并搅拌均匀使之完全分散，得到溶液E；
步骤七：将得到的溶液E采用涂覆在14um厚的集流体铝箔上，通过105℃鼓风干燥2h挥发掉溶剂，真空105℃干燥12h得到极片，即为正极极片；
步骤八：将得到的正极极片进行分切、辊压处理后，组装2032型扣式固态电池，其对应的负极为金属锂片表面，所用的固态电解为40um厚的聚氧化乙烯、锂盐、快锂离子传导陶瓷粉体结合制备的。通过新威电池测试仪在60℃对组装好的扣式电池进行电化学性能测试。
9.根据权利要求7所述的一种应用于全固态锂离子电池的正极极片的制备方法，其特征在于：步骤一：将1份重量的锂离子传导介质加入到10份重量的N-甲基吡咯烷酮溶液中，加热至40-45°使锂离子传导介质充分溶解，得到溶液A；
步骤二：将粘结剂加入到步骤一中得到的溶液A中，通过搅拌，使得粘结剂充分溶解于溶液A中，得到溶液B；
步骤三：在溶液B中加入导电剂，分散搅拌2小时，使得导电剂充分溶解于溶液B中，得到溶液C；
步骤四：采用激光脉冲沉积法将快锂离子传导陶瓷粉体包覆于正极活性材料上，脉冲激光200mJ每次，频率10Hz，作用于正极活性材料上的能量密度为1.2J/cm2。整个反应过程在充满氮气气氛中进行。导陶瓷粉体包覆质量比为1-3％，厚度0.5um。
步骤五：将包覆好的正极活性材料加入到溶液C中，分散搅拌2小时使正极活性材料在溶液C中充分分散，得到溶液D；
步骤六：在溶液D中加入溶解好的锂盐，发生络合反应，并搅拌均匀使之完全分散，得到溶液E；
步骤七：将得到的溶液E采用涂覆在14um厚的集流体铝箔上，通过105℃鼓风干燥2h挥发掉溶剂，真空105℃干燥12h得到极片，即为正极极片；
步骤八：将得到的正极极片进行分切、辊压处理后，组装2032型扣式固态电池，其对应的负极为金属锂片表面，所用的固态电解为40um厚的聚氧化乙烯、锂盐、快锂离子传导陶瓷粉体结合制备的。通过新威电池测试仪在60℃对组装好的扣式电池进行电化学性能测试。
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