CN111029661B - 一种锂电池超薄柔性无机固态电解质及制备方法和应用 - Google Patents

一种锂电池超薄柔性无机固态电解质及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂电池超薄柔性无机固态电解质及制备方法和应用。将氧化物电解质研磨至纳米级，然后与锂盐、聚合物、有机溶剂混合，研磨为胶体；将弹性薄膜表面涂覆功能离型剂，将胶体喷涂在离型面层上，再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，使胶体涂层夹在两弹性薄膜中间保护，送入双向拉伸机进行拉伸，使胶体涂层薄层化，形成微空隙，这种微空隙的电解质膜比平坦表面更高的接触面积，与电极的界面电阻更低。而且可以通过转印直接与锂电池的正极、负极连续紧密贴合，极大地推进了固态电池的规模化稳定生产。

Description

一种锂电池超薄柔性无机固态电解质及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体涉及固态电解质的制备，特别是涉及一种锂电池超薄柔性无机固态电解质及制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池因具有输出电压高、能量密度高、循环寿命长、安全性能好、无记忆效应等特点，作为主要的储能器件成功应用于移动电源领域。为了进一步满足电动汽车的需求，更长循环寿命、安全性更好、能量密度更高的电极材料以及锂电池体系成为研究热点。传统的锂离子电池采用的电解液体系为溶有锂盐的有机液体,目前锂离子电池普遍使用传统的液态电解质，液态电解质拥有较高的室温离子电导率，但其加工密封困难，在使用过程中存在包装容易受损、电解质与电极材料发生反应， 过充和易生成锂枝晶等情况，导致漏液、爆炸和内部短路等相关的安全问题。当电池外部温度升高、大电流充放电或短路时容易导致电池内部温度升高，从而使电池密封失效，可燃性气体与有机溶剂在高温下遇到氧气发生爆炸。为了改善这些问题以及人们对环保意识的提高，研究者尝试使用固态电解质代替液体电解质来制备全固态电池。利用固态电解质逐步代替有机电解液，形成准固态、半固态以及全固态电池，会比传统使用的有机电解液的锂电池能量密度更高、使用寿命更长、更为安全。
目前科研人员已开发三种固体电解质：聚合物电解质，硫化物电解质、氧化物电解质。聚合物是最容易使用的，但与硫化物和氧化物相比，其机械强度和离子电导率较低。需要将固体电解质加工成非常薄的薄膜以使充电/放电期间的电流最大化，但是事实证明，在制造期间实现精确控制是很棘手的一个问题。硫化物固态电解质材料由于其具有接近液态电解液的高室温离子电导，无需高能耗制备工艺，良好的热稳定性和电化学稳定性等诸多优点而备受关注，但其具有对水汽较为敏感，存在不稳定因素，阻碍着硫化物固态电解质材料的实际应用。氧化物固态电解质对空气和热稳定性高，原料成本低，更易实现规模化制备，因而在应用中受到广泛关注。
中国发明专利申请号201610877257.4公开了一种氧化物固体电解质隔膜的制备方法，属于电化学工程与陶瓷工业领域。该方法使用碳酸锂或氢氧化锂为锂源，将预先制备的固体电解质粉体置于坩埚中，直接在高温下烧结，得到致密的块体；对块体进行切割、打磨，得到固体电解质隔膜薄片。
中国发明专利申请号201711331997.9公开了一种固态电解质，化学通式为：A2M2- xRxTeO6，其制备方法包括如下步骤：按照一定摩尔比称取钠盐、锌盐、碲氧化物，并放入到球磨罐中，得到混合物A；向盛装有混合物A的球磨罐中加入一定二氧化锆球，并球磨得到混合物B；对混合物B进行一定热处理，得到碲酸锌钠前驱体粉末；将碲酸锌钠前驱体粉末进行研磨，并将研磨后的产物放入到压力机上压制，得到碲酸锌钠前驱体陶瓷片；将碲酸锌钠前驱体陶瓷片放入瓷舟内进行一定热处理，得到碲酸锌钠固态电解质。
中国发明专利申请号201810244021.6公开了一种干法制备氧化固态电解质的方法和氧化物固态电解质材料，其方法包括：按所需化学计量比称取颗粒粒度大小为10~100μm的目标氧化物固态电解质材料的各原材料；将粒度小于10μm的原材料加入干混设备中，在10~1000r/min的转速下进行1~96h高速搅拌；在5~100r/min下，将剩余的原材料按照粒度由小到大依次加入干混设备，在10~1000r/min的转速下搅拌，直至剩余的原材料全部加入干混设备，得到混合材料；将混合材料放入烧结设备中进行烧结，得到半成品材料；将半成品材料头去破碎设备进行初级破碎；再将初级破碎后的半成品材料投入粉碎设备进行粉碎，即得到氧化固态电解质。
中国发明专利申请号201721784871.2公开了一种全氧化物固态锂电池结构。包括正极结构、负极结构和设置在两者之间的固态电解质层，正极结构面向固态电解质层的一侧形成有正极修饰层；固态电解质层包括锂的氧化物；负极结构包括钛酸锂活性材料，负极结构面向固态电解质层的一侧形成有负极修饰层。由于氧化物本身具有的优异稳定性，氧化物正极活性材料、含锂氧化物电解质及钛酸锂负极活性材料的组合使用。
根据上述，现有方案中用于锂离子电池的氧化物电解质电导率较低、柔性差，难以与电极压制贴合，而且氧化物电解质材料本身与电极界面存在较高的界面电阻。
发明内容
鉴于氧化物电解质电导率较低、柔性差，难以与电极压制贴合的问题，本发明提出了一种锂电池超薄柔性无机固态电解质，有效解决目前应用较广的锂离子电池氧化物固体电解质电导率低，与电极压制贴合界面电阻高的缺陷，电解质与电极结合紧密，电阻率低。进一步提供其制备方法和应用方法。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氧化物电解质研磨为纳米级颗粒，接着与锂盐、聚合物、有机溶剂混合，在胶体磨研磨均匀，制得胶体电解质；
（2）在弹性薄膜表面均匀涂覆功能离型剂，制得含离型面层的弹性薄膜；
（3）将步骤（1）制得的胶体电解质喷涂于步骤（2）制得的弹性薄膜得离型面层上形成胶体电解质层，再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，接着送入双向拉伸机，纵向拉伸至原来的5~8倍，连续横向拉伸至原来的3-5倍，接着在80-90℃热定型，冷却卷取，即得锂电池超薄柔性无机固态电解质。
本发明通过在弹性薄膜表面涂覆功能离型剂，然后将电解质胶体液喷涂在离型面层上，利用双向拉伸，使预涂得的氧化物电解质、锂盐分散并薄层化，达到超薄结构的电解质薄膜，而且随着双向拉伸，氧化物电解质、锂盐薄层并舒展，形成微空隙，这种微空隙的电解质膜比平坦表面更高的接触面积，与电极的界面电阻更低，电导率更高。
颗粒的大小称为粒度，一般颗粒的大小又以直径表示，故也称为粒径。从尺寸大小来说，纳米级通常指产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1μm以下，即粒径在100nm以下的粉体。本发明所述将氧化物电解质研磨为纳米级颗粒，即为将氧化物电解质研磨为粒径＜100nm的颗粒。
优选的，步骤（1）所述氧化物电解质为LAGP、LATP、LLZO、LLTO中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述锂盐为 三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述聚合物为聚碳酸丙烯酯、聚氧化乙烯中的一种。
优选的，步骤（1）所述有机溶剂为二甲基亚砜。
优选的，步骤（1）中，氧化物电解质纳米颗粒20~23重量份、锂盐7~11重量份、聚合物28~32重量份、有机溶剂34~45重量份。
优选的，步骤（2）所述弹性薄膜为具有良好可拉伸的薄膜，优选EVA薄膜。
优选的，步骤（2）所述功能离型剂由硅油、聚四氟乙烯粉、碳微球分散复合而得。
进一步优选的，步骤（2）所述功能离型剂中，硅油20~25重量份、聚四氟乙烯粉25~30重量份、碳微球15~20重量份。
优选的，步骤（3）所述胶体电解质层的厚度为50-100μm。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的锂电池超薄柔性无机固态电解质。将氧化物电解质研磨至纳米级，然后与锂盐、聚合物、有机溶剂混合，研磨为胶体；将弹性薄膜表面涂覆功能离型剂，将胶体喷涂在离型面层上，再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，使胶体涂层夹在两弹性薄膜中间保护，送入双向拉伸机进行拉伸，使胶体涂层薄层化，形成微空隙，这种微空隙的电解质膜比平坦表面更高的接触面积，与电极的界面电阻更低。
进一步的本发明提供一种锂电池超薄柔性无机固态电解质在锂电池中的应用方法。本发明通过将电解质胶体夹在量弹性薄膜间，不但易于拉伸薄层化，而且对商品化电解薄膜保护，其使用时通过将锂电池超薄柔性无机固态电解质一侧弹性薄膜揭去直接与锂电池正极片转印连续贴合，锂电池超薄柔性无机固态电解质的另一侧弹性薄膜揭去与负极片牢固贴合。极大地方便了固态锂电池的连续化稳定生产。由于离型层分散有碳微球和聚四氟乙烯粉，与负极片（钛酸锂、石墨、金属锂片、硅质片等）亲和性好，热贴合后结合紧密。
本发明提供了一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法、使用方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出在弹性薄膜利用涂覆和喷涂技术制备和应用锂电池超薄柔性无机固态电解质的方法。
2、通过在弹性薄膜表面涂覆功能离型剂，然后将氧化物电解质、锂盐等形成的胶体喷涂在离型面层上，利用弹性薄膜易于拉伸的特点双向拉伸，制得超薄柔性电解质，并且与电极接触面积大，界面电阻低。
3、使用时，电解质与电极片的亲和性好，热贴合后结合紧密，性能优异。
4、本发明通过将无机固态电解质利用双向拉伸制备为柔性的超薄薄膜，易于规模化生产，而且可以通过转印直接与锂电池的正极、负极连续紧密贴合，极大地推进了固态电池的规模化稳定生产。
附图说明
图1：为了清晰明确说明本发明将胶体电解质夹在弹性薄膜间拉伸薄层化，附图采用示意图的方式进行说明。
其中，1-1是下层弹性薄膜；1-2是上层弹性薄膜；2-1是下层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；2-2是上层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；3-喷涂胶体电解质；4-双向拉伸；5-热定型；6-卷取。
图2：本发明得到的锂电池超薄柔性无机固态电解质，其中a是上层弹性薄膜；b是下层弹性薄膜；c是电解质。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
制备过程为：
（1）将氧化物电解质LLZO研磨至粒径小于100纳米，取20重量份纳米氧化物电解质、双氟磺酰亚胺锂11重量份、聚氧化乙烯28重量份、二甲基亚砜34重量份混合，在胶体磨研磨均匀，制得胶体电解质；
（2）将硅油20重量份、聚四氟乙烯粉25重量份、碳微球15重量份分散为功能离型剂，以EVA薄膜为弹性薄膜，如附图1所示，1-1是下层弹性薄膜；1-2是上层弹性薄膜；2-1是下层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；2-2是上层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；制得含离型面层的弹性薄膜；
（3）将步骤（1）制得的胶体电解质喷涂于步骤（2）制得的弹性薄膜得离型面层上形成100μm厚的胶体电解质层，如附图1所示，3-喷涂胶体电解质；再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，接着送入4-双向拉伸；纵向拉伸至原来的5倍，连续横向拉伸至原来的3倍，接着在90℃热定型，冷却卷取，即得锂电池超薄柔性无机固态电解质。
实施例2
制备过程为：
（1）将氧化物电解质LLZO研磨至粒径小于100纳米，取23重量份纳米氧化物电解质、双三氟甲基磺酰亚胺锂11重量份、聚氧化乙烯28重量份、二甲基亚砜45重量份混合，在胶体磨研磨均匀，制得胶体电解质；
（2）将硅油20重量份、聚四氟乙烯粉25重量份、碳微球20重量份分散为功能离型剂，以EVA薄膜为弹性薄膜，如附图1所示，1-1是下层弹性薄膜；1-2是上层弹性薄膜；2-1是下层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；2-2是上层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；制得含离型面层的弹性薄膜；
（3）将步骤（1）制得的胶体电解质喷涂于步骤（2）制得的弹性薄膜得离型面层上形成100μm厚的胶体电解质层，如附图1所示，3-喷涂胶体电解质；再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，接着送入4-双向拉伸；纵向拉伸至原来的8倍，连续横向拉伸至原来的3倍，接着在90℃热定型，冷却卷取，即得锂电池超薄柔性无机固态电解质。
实施例3
制备过程为：
（1）将氧化物电解质LLZO研磨至粒径小于100纳米，取23重量份纳米氧化物电解质、双氟磺酰亚胺锂10重量份、聚氧化乙烯28重量份、二甲基亚砜40重量份混合，在胶体磨研磨均匀，制得胶体电解质；
（2）将硅油20重量份、聚四氟乙烯粉30重量份、碳微球20重量份分散为功能离型剂，以EVA薄膜为弹性薄膜，如附图1所示，1-1是下层弹性薄膜；1-2是上层弹性薄膜；2-1是下层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；2-2是上层弹性薄膜表面涂覆功能离型剂；制得含离型面层的弹性薄膜；
（3）将步骤（1）制得的胶体电解质喷涂于步骤（2）制得的弹性薄膜得离型面层上形成100μm厚的胶体电解质层，如附图1所示，3-喷涂胶体电解质；再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，接着送入4-双向拉伸；纵向拉伸至原来的8倍，连续横向拉伸至原来的5倍，接着在90℃热定型，冷却卷取，即得锂电池超薄柔性无机固态电解质。
性能测试：
将实施例1-3电解质膜直接与金属直接贴合组成“三明治”结构，利用VersaSTAT4电化学工作站进行阻抗测试，测试环境温度为30℃，交流阻抗频率为1~100kHz，阻抗谱的模拟和分析在Zview软件上进行，进而得到电解质的电导率,如表1所示。
表1：
Figure DEST_PATH_IMAGE001

Claims (8)

1.一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氧化物电解质研磨为纳米级颗粒，接着与锂盐、聚合物、有机溶剂混合，在胶体磨研磨均匀，制得胶体电解质，氧化物电解质纳米颗粒20~23重量份、锂盐7~11重量份、聚合物28~32重量份、有机溶剂34~45重量份；（2）在弹性薄膜表面均匀涂覆功能离型剂，制得含离型面层的弹性薄膜；（3）将步骤（1）制得的胶体电解质喷涂于步骤（2）制得的弹性薄膜得离型面层上形成胶体电解质层，再贴合一层含离型面层的弹性薄膜，接着送入双向拉伸机，纵向拉伸至原来的5~8倍，连续横向拉伸至原来的3-5倍，接着在80-90℃热定型，冷却卷取，即得锂电池超薄柔性无机固态电解质。
2.根据权利要求1所述一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述氧化物电解质为LAGP、LATP、LLZO、LLTO中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述锂盐为 三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂中的至少一种；所述聚合物为聚碳酸丙烯酯、聚氧化乙烯中的一种；所述有机溶剂为二甲基亚砜。
4.根据权利要求1所述一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述弹性薄膜为EVA薄膜。
5.根据权利要求1所述一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述功能离型剂由硅油20~25重量份、聚四氟乙烯粉25~30重量份、碳微球15~20重量份分散复合而得。
6.根据权利要求1所述一种锂电池超薄柔性无机固态电解质的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述胶体电解质层的厚度为50-100μm。
7.权利要求1~6任一项所述制备方法制备得到的一种锂电池超薄柔性无机固态电解质。
8.一种锂电池超薄柔性无机固态电解质在锂电池中的应用，其特征在于，将权利要求7所述锂电池超薄柔性无机固态电解质一侧弹性薄膜揭去直接与锂电池正极片转印连续贴合，锂电池超薄柔性无机固态电解质的另一侧弹性薄膜揭去与负极片牢固贴合。
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