CN109616696B - 一种柔性可折叠全固态电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池及其制造方法，具体为一种柔性可折叠全固态电池及其制造方法，所述电池由2个微型全固态电芯串联或并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封所得，或者由3个以上微型全固态电芯通过串联或/和并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封所得，所述微型全固态电芯依次包括正极集流体、正极、固态电解质、负极和负极集流体，所述电池的制造步骤包括称量、微型全固态电芯的制造和柔性全固态电池的制造，本发明的固态电池具有柔性、可折叠性、高能量密度、高安全性等特点，还可以制造大尺寸固态电池，本发明通过串/并联设计，可任意调控全固态电池的输出电压和容量，且能实现大倍率放电，拓展了全固态电池在大倍率放电动力电池领域方面的应用。

Description

一种柔性可折叠全固态电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电池及其制造方法，具体为一种柔性可折叠全固态电池及其制造方法。

背景技术

目前，商业化锂离子电池普遍采用液态电解质，其低燃点、低闪点和漏液问题带来了很大的安全隐患。相对于液体电解质，全固态电解质降低了充放电过程中漏液、着火等风险。然而，固态电解质的易脆性和高硬度等特性，阻碍了其在柔性可折叠电池领域方面的应用。目前，柔性全固态电池主要集中于全固态薄膜电池。全固态薄膜电池是通过使用各种成膜工艺在某种衬底(如玻璃、陶瓷、单晶硅片、塑料等)上沉积集流体薄膜、固体电解质薄膜、电极薄膜等制得，其厚度往往只有几微米，是一种安全、可靠的微能源器件。但是薄膜电池容量低，只能作为微型电池使用。此外，薄膜电池成本高昂，制造过程繁琐，良品率低，因此，薄膜固态电池应用范围较为狭窄，目前仅能应用于对能量密度要求不高的微型计算器、电子手表等。

鉴于此，开发具有高容量、柔性和可折叠的全固态电池是当前锂电池行业面临的重大难题。本发明所述的全固态锂离子电池具有柔性，可折叠性，输出电压及容量可控，安全，易于工业化生产特点，解决了全固态电池易脆性，不能大尺寸制造的关键技术问题。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中固态电池硬度高、易脆、不能大尺寸制造等问题，而提供一种柔性可折叠、输出电压及容量可控的全固态电池。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种柔性可折叠全固态电池，所述电池由2个微型全固态电芯串联或并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封所得，或者由3个以上微型全固态电芯通过串联或/和并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封所得，所述微型全固态电芯依次包括正极集流体、正极、固态电解质、负极和负极集流体，

所述正极集流体为铝箔、铝粉、导电银浆和导电碳浆中的任意一种；

所述正极由正极材料、固态电解质和导电剂按质量比1：(0.1～10)：(0～10)混合所得的正极材料混合物制成；

所述负极由负极材料、固态电解质和导电剂按质量比1：(0.1～10)：(0～10)混合所得的负极材料混合物制成；

所述固态电解质为硫化物固态电解质；

所述负极集流体为铜箔、铜粉、导电铜浆和导电碳浆中的任意一种。

作为优选，所述正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂和三元正极中的至少一种。

作为优选，所述负极材料为石墨、硅碳、钛酸锂和金属锂中的至少一种。

作为优选，所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管或石墨烯。

作为优选，所述硫化物固态电解质为Li₇PS₆、Li₆PS₅Cl、Li₆PS₅Br、Li₆PS₅I、Li₃PS₄、Li₇PS₅Br、Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄、Li₁₀GeP₂S₁₂或Li₇P₃S₁₁中的任意一种。

作为优选，所述正极由正极材料、固态电解质和导电剂按质量比1：(0.1～1)：(0～1)混合所得的正极材料混合物制成；所述负极由负极材料和固态电解质按质量比1：(0.1～1)混合所得的负极材料混合物制成。

作为优选，所述柔性绝缘塑封膜包括PDMS膜、PET膜、PVC膜、PP膜、ABS膜、TPU膜和PI膜中的任意一种及它们的铝塑复合膜。

一种柔性可折叠全固态电池的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

将配方量的正极材料、固态电解质和导电剂混合均匀得正极材料混合物，将配方量的负极、固态电解质和导电剂混合均匀得负极材料混合物，备用；

S2、微型全固态电芯的制造

将正极集流体、正极材料混合物、固态电解质、负极材料混合物、负极集流体依次加入到方形模具中，在20～800MPa的压力下保持0.05～1小时，压制成型得单个微型全固态电芯；

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将2个步骤S2制得的微型全固态电芯串联或并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封，或者将3个以上微型全固态电芯串联或/和并联后用柔性绝缘塑封膜真空密封，即得柔性可折叠全固态电池。

当在使用过程中，如果一个微型全固态电芯的容量足够用户使用，也可以用柔性绝缘塑封膜真空密封一个微型全固态电芯得柔性固态电池。

作为优选，步骤S2中所述方形模具的尺寸为(2mm×2mm)～(25mm×25mm)。

单个电芯尺寸小，便于多个电芯之间的串联或/和并联，可制造大尺寸全固态电池，还可以根据实际应用需要的电池容量制造电池，再用柔性绝缘塑封膜真空密封，制造的电池具有柔性、可折叠性。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用的是全固态电芯，具有高能量密度、高安全性的特点；

2.本发明的全固态电池，由微型全固态电芯经串联或/和并联后，再用柔性绝缘塑封膜包装，制造的电池具有柔性、可折叠性，并且可以制造大尺寸全固态电池，解决了现有技术中全固态电池硬度高、易脆、不能大尺寸制造等问题，扩大了全固态电池的应用范围；

3.本发明通过串/并联设计，可任意调控全固态电池的输出电压和容量，且能实现大倍率放电，拓展了全固态电池在大倍率放电动力电池领域方面的应用；

4.本发明全固态电池中的每个微型电芯独立工作，当电池受外力破损时，可防止电池整体报废，且便于维修。

附图说明

图1为本发明柔性可折叠全固态电池的示意图；

图2为本发明单个微型全固态电芯的截面图。

图中：1-正极集流体；2-正极；3-固态电解质；4-负极；5-负极集流体。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1：

一种柔性可折叠全固态电池的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

在充满氩气的手套箱中，称取5mg正极材料混合物、30mg Li₆PS₅Cl固态电解质和5mg负极材料混合物，备用；

将磷酸铁锂粉体、Li₆PS₅Cl和乙炔黑按质量比1:1:(1/2)混合均匀获得正极材料混合物；

将石墨粉体和Li₆PS₅Cl按质量比1:1混合均匀获得负极材料混合物。

S2、微型全固态电芯的制造

按照铝箔、正极材料混合物、Li₆PS₅Cl固态电解质、负极材料混合物、铜箔的顺序，依次均匀放入8mm×8mm的方形模具中，在800MPa压力下，保持10min，脱模，得到单个固态电芯。

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将3个步骤S2所得的微型电芯串联，并用PI膜真空封装得柔性可折叠全固态电池。

本申请实施例中所得的柔性可折叠全固态电池的输出电压为10.2V，容量为0.33mAh。

实施例2：

一种柔性可折叠全固态电池的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

在充满氩气的手套箱中，称取10mg正极材料混合物、20mg Li₆PS₅Br固态电解质和10mg负极材料混合物，备用；

将钴酸锂粉体、Li₆PS₅Br和碳纳米管按质量比1:(3/5):(2/5)混合均匀获得正极材料混合物；

将石墨粉体和Li₆PS₅Br按质量比1:(2/3)混合均匀获得负极材料混合物。

S2、微型全固态电芯的制造

按照铝箔、正极材料混合物、Li₆PS₅Br固态电解质、负极材料混合物、铜箔的顺序，依次均匀放入6mm×6mm的方形模具中，在500MPa压力下，保持20min，脱模，得到单个固态电芯。

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将5个步骤S2所得的微型电芯串联，并用柔性PDMS膜进行原位聚合封装得柔性可折叠全固态电池。

本申请实施例中所得的柔性可折叠全固态电池的输出电压为19V，容量为0.73mAh。

实施例3：

一种柔性可折叠全固态电池的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

在充满氩气的手套箱中，称取5mg正极材料混合物、30mg Li₆PS-₅Br固态电解质和5mg负极材料混合物，备用；

将锰酸锂粉体、Li₃PS₄和乙炔黑按质量比1:(1/3):(1/3)混合均匀获得正极材料混合物；

将石墨粉体和Li₃PS₄按质量比1:(1/2)混合均匀获得负极材料混合物。

S2、微型全固态电芯的制造

按照铝箔、正极材料混合物、Li₃PS₄固态电解质、负极材料混合物、铜箔的顺序，依次均匀放入13mm×15mm的方形模具中，在300MPa压力下，保持20min，脱模，得到单个固态电芯。

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将10个步骤S2所得的微型电芯平均分成5组，每组内的2个电芯串联，串联后的5组电芯并联，再用PP膜真空封装即得柔性可折叠全固态电池。

本申请实施例中所得的柔性可折叠全固态电池的输出电压为7.4V，容量为1.8mAh。

实施例4：

一种柔性可折叠全固态电池的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

在充满氩气的手套箱中，称取15mg正极材料混合物、40mg Li₆PS₅Br固态电解质和15mg负极材料混合物，备用；

将三元正极(LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂)粉体、Li₇P₃S₁₁和乙炔黑按质量比1:(3/4):(3/4)混合均匀获得正极材料混合物；

将石墨粉体、Li₇P₃S₁₁按质量比1:(1/5)混合均匀获得负极材料混合物。

S2、微型全固态电芯的制造

按照铝箔、正极材料混合物、Li₇P₃S₁₁固态电解质、负极材料混合物、铜箔的顺序，依次均匀放入10mm×10mm的方形模具中，在700MPa压力下，保持15min，脱模，得到单个固态电芯。

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将45个步骤S2所得的微型电芯平均分成3组，每组内的15个电芯依次串联，串联后的3组电芯并联，再用PET铝塑复合膜真空封装即得柔性可折叠全固态电池。

本申请实施例中所得的柔性可折叠全固态电池的输出电压为55.5V，容量为3.06mAh。

以上所述的实施例只是本发明的较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种柔性可折叠全固态电池，其特征在于，所述电池由2个微型全固态电芯串联或并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封所得，或者由3个以上微型全固态电芯通过串联或/和并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封所得，所述微型全固态电芯依次包括正极集流体、正极、固态电解质、负极和负极集流体，

所述正极集流体为铝箔、铝粉、导电银浆、导电碳浆中的任意一种；

所述正极由正极材料、固态电解质和导电剂按质量比1：(0.1～10)：(0～10)混合所得的正极材料混合物制成；

所述负极由负极材料、固态电解质和导电剂按质量比为1：(0.1～10)：(0～10)混合所得的负极材料混合物制成；

所述固态电解质为硫化物固态电解质；

所述负极集流体为铜箔、铜粉、导电铜浆和导电碳浆中的任意一种；

所述柔性可折叠全固态电池的制备方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

将配方量的正极材料、固态电解质和导电剂混合均匀获得正极材料混合物，将配方量的负极材料、固态电解质和导电剂混合均匀获得负极材料混合物，备用；

S2、单个微型全固态电芯的制造

将正极集流体、正极材料混合物、固态电解质、负极材料混合物、负极集流体依次加入到方形模具中，在20～800MPa的压力下保持0.05～1小时，压制成型即得单个微型全固态电芯；

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将2个步骤S2制得的微型全固态电芯串联或并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封，或者将3个以上微型全固态电芯串联或/和并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封，即得柔性可折叠全固态电池。

2.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于：所述正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂和三元正极中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于：所述负极材料为石墨、硅碳、钛酸锂和金属锂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于：所述硫化物固态电解质为Li₇PS₆、Li₆PS₅Cl、Li₆PS₅Br、Li₆PS₅I、Li₃PS₄、Li₇PS₅Br、Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄、Li₁₀GeP₂S₁₂和Li₇P₃S₁₁中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于：所述正极由正极材料、固态电解质和导电剂按质量比为1：(0.1～1)：(0～1)混合所得的粉体制成。

7.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于：所述负极由负极材料和固态电解质按质量比为1：(0.1～1)混合所得的粉体制成。

8.根据权利要求1所述的柔性可折叠全固态电池，其特征在于，所述柔性绝缘塑封膜包括PDMS膜、PET膜、PVC膜、PP膜、ABS膜、TPU膜和PI膜中的任意一种及它们的铝塑复合膜。

9.一种权利要求1～8任一项所述的柔性可折叠全固态电池的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、制备正、负极材料混合物

将配方量的正极材料、固态电解质和导电剂混合均匀获得正极材料混合物，将配方量的负极材料、固态电解质和导电剂混合均匀获得负极材料混合物，备用；

S2、单个微型全固态电芯的制造

将正极集流体、正极材料混合物、固态电解质、负极材料混合物、负极集流体依次加入到方形模具中，在20～800MPa的压力下保持0.05～1小时，压制成型即得单个微型全固态电芯；

S3、柔性可折叠全固态电池的制造

将2个步骤S2制得的微型全固态电芯串联或并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封，或者将3个以上微型全固态电芯串联或/和并联之后用柔性绝缘塑封膜真空密封，即得柔性可折叠全固态电池。

10.根据权利要求9所述的柔性可折叠全固态电池的制造方法，其特征在于，步骤S2中所述方形模具的尺寸为(2mm×2mm)～(25mm×25mm)。

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