CN111342142A - 一种锂电芯结构、锂电池结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及锂电芯结构、锂电池结构及制备方法。锂电芯结构包括叠设的复合聚合物固体电解质、界面修饰层、负极、集流体以及正极，复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质。复合聚合物固体电解质兼具机物基底膜和通用的聚合物固态电解质，使得其可挠性、界面弹性均显著优于常规陶瓷电解质，易于与电极形成接触良好的界面，因此可改善由于电极体积膨胀收缩导致的界面脱附问题。并且，界面修饰层能很好的抑制负极锂枝晶的形成，提高电池的稳定性能。锂电芯结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电芯内非活性物质的含量，提高锂电芯结构的导电性能。

Description

一种锂电芯结构、锂电池结构及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电芯结构、锂电池结构及其制备方法。
【背景技术】
自锂电池商业化以来，由于其高比容量、循环寿命长、安全性能好等特点，在电动汽车、3C产品等领域有广泛的应用前景，尤其是全固态锂电池，由于其安全性能高，全固态锂电池是下一代锂电池技术。
很多新兴技术领域对全固态锂电池的能量密度不断提出新的要求，传统的全固态电池通常采用LiCoO2作为正极材料，钴酸锂的理论克容量仅有270mAh/g，达不到现在对高能量密度的商业需求。同时，传统的全固态锂电池电芯中含有重量占比相对较大的集流体、导电层等非活性部件，非活性部件对电池容量没有贡献，使得固态电池的能量密度难以提升。此外，传统全固态电池的电芯结构设计为：正极材料/固态电解质/负极材料，其中，电极和电解质之间将难以形成像固-液界面那样紧密充分的接触，严重影响锂离子在电极和电解质间传输的效率，导致电荷传输/转移存在瓶颈，且固态电池大多采用锂负极，但是金属锂负极在固态电池中，存在体积膨胀和锂枝晶生长现象，这将产生固态电解质颗粒间，固态电解质和负极的固固接触问题，导致固态电池的长期稳定性循环变差。因此亟待提供针对锂电池能量密度提升和界面问题的解决方案。
【发明内容】
为克服目前固态锂电池稳定性差以及能量密度低的问题，本发明提供一种锂电芯结构、锂电池结构及其制备方法。
本发明为了解决上述技术问题，提供一技术方案如下：一种锂电芯结构，所述锂电芯结构包括依次叠设的复合聚合物固体电解质、界面修饰层、负极、集流体以及正极，所述复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质。
优选地，所述有机物基底膜包括由聚酰亚胺材料形成的薄膜，所述有机物基底膜具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构。
优选地，所述正极为有机正极或者为复合正极，所述复合正极由固态电解质和正极材料复合形成；所述界面修饰层由聚偏氟乙烯基质及分散于其中的氟化石墨组成。
优选地，所述负极由金属锂与离子阻塞型金属复合而成；所述集流体包括金属氮化物或由多层金属组成的叠层薄膜中的一种。
优选地，所述复合聚合物固体电解质的厚度为：8-12μm，所述界面修饰层的厚度为0.5-2μm；所述正极的厚度为1-50um。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种锂电池结构，所述锂电池结构包括如上所述的锂电芯结构，至少两个所述锂电芯结构叠加形成锂电池结构，任意相邻的两个锂电芯结构中一者的正极与另一者的复合聚合物固体电解质贴合。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种锂电池结构的制备方法，包括如下步骤：S1：制备复合聚合物固体电解质，所述复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质；S2：在所述复合聚合物固体电解质的一面形成界面修饰层；S3：在所述界面修饰层上形成负极；S4：在所述负极之上形成集流体；及S5：在所述集流体上形成正极以获得一锂电芯结构。
优选地，在上述步骤S2中，所述有机物基底膜包括由聚酰亚胺材料形成的薄膜，制备所述复合聚合物固体电解质的步骤如下：步骤S21：通过离子径迹工艺使得所述有机物基底膜形成具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构；步骤S22：使用原子层沉积工艺对所述步骤S21中获得的具有多孔结构的有机物基底膜进行路易斯强酸表面修饰；及步骤S23:通过熔融灌注的方式在所述多孔结构内填入聚合物固态电解质。
优选地，所述锂电池结构的制备方法还包括步骤S6：将所述步骤S5获得的至少两个锂电芯结构叠加形成锂电池结构，任意相邻的两个锂电芯结构中一者的正极与另一者的复合聚合物固体电解质贴合。
优选地，本发明为了解决上述技术问题，还提供一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的锂电池结构。
相对于现有技术，本发明所提供的锂电芯结构、锂电池结构以及其制备方法，具有如下的有益效果：
所述锂电芯结构包括依次叠设的复合聚合物固体电解质、界面修饰层、负极、集流体以及正极，所述复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质。复合聚合物固体电解质兼具机物基底膜和通用的聚合物固态电解质，使得其可挠性、界面弹性均显著优于常规陶瓷电解质，易于与电极形成接触良好的界面，因此可改善由于电极体积膨胀收缩导致的界面脱附问题；并且，界面修饰层能很好的抑制负极锂枝晶的形成，提高电池的稳定性能。锂电芯结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电芯内非活性物质的含量，提高锂电芯结构的导电性能。提高电池的稳定性能。锂电芯结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电芯内非活性物质的含量，提高锂电芯结构的导电性能。
所述正极为有机正极或者为复合正极，所述复合正极由固态电解质和正极材料复合形成。正极采用有机正极，有机材料，通常其可绕性更强，进一步提高正极和复合固体电解质薄膜的贴合，提高其导电性能。
该界面修饰层可传导锂离子、且耐受形变能力比较强，能很好的适应电极的收缩和膨胀的性能，同时具有较高的杨氏模量，可有效解决负极界面脱附和锂枝晶生长等问题。该界面修饰层可传导锂离子、耐受大形变且具有较高的杨氏模量，可有效解决负极界面脱附和锂枝晶生长等问题。
金属锂负极具有极高的比容量，通过采用金属锂与离子阻塞型金属复合的结构能很好的提高金属锂的稳定性，以进一步提高锂电芯结构的稳定性。
本发明提供的一种锂电池结构，所述锂电池结构包括如上所述的锂电芯结构，至少两个所述锂电芯结构叠加形成锂电池结构，任意相邻的两个锂电芯结构中一者的正极与另一者的复合聚合物固体电解质贴合。锂电池结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电池内非活性物质的含量，提高锂电池结构的导电性能。同时，正极和负极共用一个集流体，且通过叠层压合的方式实现全固态双极叠层内串的锂电池结构的制备，这种内串结构不仅可以降低锂电芯内部非活性部件重量占比，提高电池性能。而且，正极采用有机正极，其内部的有机正极材料的克容量(≥500mAh/g)比起传统的LiCoO2正极材料更高，可以增加锂电池结构的能量密度。或者采用由传统正极材料和固态电解质构成的复合正极，从而解决目前固态锂电池电极动力学传输差，造成电极厚度低，面容量低的问题。进一步地，锂电池结构中的复合聚合物固体电解质形成柔性界面，可有效突破全固态电池体系中由于界面接触和电极体积变化导致的电荷传输/转移瓶颈和长期循环稳定性问题。
本发明提供的锂电池结构的制备方法和上述锂电芯结构以及锂电池结构具有相同的有益效果。
本发明提供的电子设备具有和上述锂电芯结构以及锂电池结构相同的有益效果。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例中提供的一种锂电芯结构的层结构示意图；
图2是本发明第二实施例中提供的锂电池结构的层结构示意图；
图3是本发明第三实施例提供的锂电池结构的制备方法流程示意图；
图4是本发明第三实施例中提供的锂电池结构制备方法中步骤S2的细节流程图；
图5是本发明第三实施例提供的锂电池结构的制备方法中变形实施例的流程示意图。
附图标记说明：
10、锂电芯结构；101、复合聚合物固体电解质；102、界面修饰层；103、负极；104、集流体；105、正极；20、锂电池结构。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种锂电芯结构10，所述锂电芯结构10包括依次叠设的复合聚合物固体电解质101、界面修饰层102、负极103、集流体104以及正极105，所述复合聚合物固体电解质101包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质。
可选地，在一些具体的实施方式中，所述有机物基底膜包括由聚酰亚胺材料形成的薄膜，称为聚酰亚胺薄膜。所述有机物基底膜具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构。在一些具体的实施方式中，可以通过如下方式使得所述有机物基底膜具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构：
首先，通过离子径迹工艺使得所述有机物基底膜形成具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构；然后，使用原子层沉积工艺对所述具有多孔结构的有机物基底膜进行路易斯强酸表面修饰；然后进一步通过熔融灌注的方式在所述多孔结构内填入聚合物固态电解质。这样获得的复合聚合物固体电解质101为全聚合物体系，包括有机物质和通用的聚合物固态电解质材料，使得其可挠性、界面弹性均显著优于常规陶瓷电解质，易于与电极形成接触良好的界面，因此可改善由于电极体积膨胀收缩导致的界面脱附问题。设置界面修饰层102尤其能很好的改善负极103锂枝晶的形成。
在一些其它实施方式中，所述有机物基底膜还可以为其它材料制成的薄膜，比如聚酰胺，聚酰亚胺，聚四氟乙烯，氰酸酯树脂等柔性薄膜。
可选地，在一些具体的实施方式中，聚合物固态电解质为有机物质。其包括聚2,6-二甲基-1,4-苯醚(PPO)，聚氧化乙烯(PEO)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚甲基聚硅氧烷(PMHS)，双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)等物质中一种或几种。能进一步提高复合聚合物固体电解质101的柔性和导电性能，使其导电性能得到最大的优化。
在一些具体的实施方式中，所述有机物基底膜的厚度为：6-10μm，可选地，其厚度还可以为：7-7.5μm、7.5-8.5μm、8.5-9.0μm、9-10μm。或者，其厚度还可以为：6.3μm、6.4μm、7.2μm、7.3μm、7.4μm、8.6μm、8.7μm、8.9μm、9.4μm、9.7μm。
在一些具体的实施方式中，所述复合聚合物固体电解质101的厚度为：8-12μm，可选地，其厚度还可以为：8-9μm、9-10μm、10-11μm、11-12μm。或者，其厚度还可以为：8.3μm、8.5μm、8.7μm、9.3μm、9.4μm、9.6μm、9.7μm、9.9μm、10.4μm、10.7μm、11.7μm。
在一些具体的实施方式中，所述正极105为有机正极105或者为复合正极105，所述复合正极105由固态电解质材料和正极105材料复合形成。
可选地，所述有机正极105醌类物质：如1,4,5,8-四羟基-9,10-蒽醌(THAQ)，TNF；酸酐类物质如均苯四甲酸酐，3,4,9,10-四羧酸酐(PTCDA)；含硫聚合物如PDMcT，PPDTA；含氮聚合物如聚酰胺酸等物质。
所述复合正极105的固态电解质为现有锂电池常用的材料，其包括所述固体电解质材料包括Li-Ge-P-S类型材料中的一种或者几种组合物。或者为：NASICON型的Li1+ yAyTi2-x-yMx(PO4)3(0≤x≤2,0≤y≤2和0≤x+y≤2，A＝Al、Ga、In、Sc、Y，M＝Ge、Zr、Hf等)、钙钛矿型La2/3-xLi3xTiO3(0.05＜x＜0.167)、石榴石型Li7+yLa3Zr2-x-yMxAyO12(0≤x＜2,0≤y≤2和0≤x+y≤2，A＝Al、Ga、In、Sc、Y，M＝Ge、Zr、Hf等)、反钙钛矿型Li3OX(X＝Cl、F、Br、I等)、Li2OHX(X＝Cl、F、Br、I等)、Li3PO4等锂化合物中的任一种。
复合正极105包括的正极105材料包括：LiCoO2、LiNixCoyMn1-x-yO2(0≤x≤1,0≤y≤1和0≤x+y≤1)、LiNixCoyAl1-x-yO2(0≤x≤1,0≤y≤1和0≤x+y≤1)中的一种或者任几种组合物。所述正极105的厚度为1-50um。可选地，其厚度还可以为：2-8μm、8-16μm、16-24μm、24-32μm、32-40μm、40-45μm、45-50μm。或者，其厚度还可以为：3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、9μm、11μm、14μm、18μm、19μm、23μm、29μm、34μm、35μm、38μm、42μm、44μm、46μm、48μm。可选地，正极105的厚度应该满足如下关系：D正x L正＝D负x L负，其中D正为正极105体积容量密度，L正为正极105的厚度，D负为负极103的体积容量密度，L负为负极103的厚度。
可选地，可以通过旋转涂布或者蒸发的方式在集流体104上形成正极105。或者，在一些其它实施方式中，当所述正极105为复合正极105时，可以通过PLD共沉积固态电解质和传统正极105材料形成复合正极105。脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)，也被称为脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation，PLA)，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
在一些具体的实施方式中，所述界面修饰层102由聚偏氟乙烯基质及分散于其中的氟化石墨组成。该界面修饰层102可传导锂离子、耐受大形变且具有较高的杨氏模量，可有效解决负极103界面脱附和锂枝晶生长等问题。
在一些具体的实施方式中，所述界面修饰层102的厚度为：0.5-2μm。可选地，其厚度还可以为：0.5-0.7μm、0.7-0.9μm、0.9-1.2μm、1.2-1.5μm、1.5-2.0μm。或者，其厚度还可以为：0.6μm、0.8μm、1.0μm、1.1μm、1.3μm、1.4μm、1.6μm、1.7μm、1.9μm。界面修饰层102的厚度设置的较薄，能很好的修饰界面，又不影响电池的整体含量，影响其导电性能。
可选地，可以通过涂布的方式或者旋转涂布的方式在复合聚合物固体电解质101的表面形成界面修饰层102。
在一些具体的实施方式中，所述负极103由金属锂与离子阻塞型金属复合而成。离子阻塞型金属包括铜、铁、鉬或者其他金属。当选用金属锂与离子阻塞型金属复合而成时，可以通过共蒸工艺将金属锂与离子阻塞型金属形成在界面修饰层102以获得负极103。负极103的厚度为1-40μm。可选地，其厚度还可以为：1-5μm、5-10μm、10-15μm、15-20μm、20-25μm、25-30μm、30-35μm、35-40μm。或者，其厚度还可以为：2μm、3μm、6μm、7μm、8μm、13μm、17μm、23μm、26μm、32μm、37μm、38μm。将负极103采用复合负极103，锂金属与离子阻塞型金属形成互穿网络结构。在充放电过程中，离子阻塞型金属形成的结构稳定的网络结构一方面可保证几何结构空间的稳定性，另一方面还可提供高效的电子传递网络。
在一些具体的实施方式中，所述集流体104包括金属氮化物或由多层金属组成的叠层薄膜中的一种。在一些具体的实施方式中，可以通过物理气相沉积法在负极103上制备集流体104。物理气相沉积法包括蒸镀、溅射等方法。所述集流体104的厚度为0.5-3.0μm。可选地，其厚度还可以为：0.5-1.0μm、1.0-1.5μm、1.5-2.0μm、2.0-2.5μm、2.5-3.0μm。或者，其厚度还可以为：0.7μm、0.8μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm。
请参阅图2，本发明的第二实施例提供一种锂电池结构20，所述锂电池结构20包括如第一实施例提供的锂电芯结构10，至少两个所述锂电芯结构10叠加形成锂电池结构20，任意相邻的两个锂电芯结构10中一者的正极105与另一者的复合聚合物固体电解质101贴合。锂电池结构20的正极105和负极103共用一个集流体104，能很好的降低锂电池内非活性物质的含量，提高锂电池结构20的导电性能。同时，正极105和负极103共用一个集流体104，且通过叠层压合的方式实现全固态双极叠层内串的锂电池结构20的制备，这种内串结构不仅可以降低锂电芯内部非活性部件重量占比，提高电池性能。而且，正极105采用有机正极105，其内部的有机正极105材料的克容量(≥500mAh/g)比起传统的LiCoO2正极105材料更高，可以增加锂电池结构20的能量密度。或者采用由传统正极105材料和固态电解质构成的复合正极105。从而解决目前固态锂电池电极动力学传输差，造成电极厚度低，面容量低的问题。进一步地，锂电池结构20中的复合聚合物固体电解质101形成柔性界面，可有效突破全固态电池体系中由于界面接触和电极体积变化导致的电荷传输/转移瓶颈和长期循环稳定性问题。
请参阅图2和图3，本发明的第三实施例提供一种锂电池结构的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备复合聚合物固体电解质101，所述复合聚合物固体电解质101包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质；
S2：在所述复合聚合物固体电解质101的一面形成界面修饰层102；
S3：在所述界面修饰层102上形成负极103；
S4：在所述负极103之上形成集流体104；及
S5：在所述集流体104上形成正极105以获得一锂电芯结构10。
在本实施例中，所涉及的复合聚合物固体电解质101、界面修饰层102、负极103、集流体104、正极105均和上述第一实施例提供的相同，在此不再赘述。
请参阅图4，在上述步骤S2中，所述有机物基底膜包括由聚酰亚胺材料形成的薄膜，通常称为聚酰亚胺薄膜。制备所述复合聚合物固体电解质101的步骤如下：
步骤S21：通过离子径迹工艺使得所述有机物基底膜形成具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构；
步骤S22：使用原子层沉积工艺对所述步骤S21中获得的具有多孔结构的有机物基底膜进行路易斯强酸表面修饰；及
步骤S23:通过熔融灌注的方式在所述多孔结构内填入聚合物固态电解质。
在上述步骤S21中，比如，可以利用核能重离子对有机物基底膜进行辐照蚀刻，每个离子在通过有机物基底膜的时候会打破原有的化学键形成接近圆柱形的孔道，而穿越过程中留下的及其微小的残留物会在之后的步骤中以化学的方法排除。
或者，在步骤S21中，可以在聚酰胺酸溶液中加入具有磁性和/或导电性的纳米线，通过磁场和电场的相互作用使纳米线垂直排布，或者通过磁场或者电场中的一者作用使得纳米线垂直排布，加热使聚酰胺酸溶液中的溶剂挥发，同时固化形成聚酰亚胺薄膜，最后酸和碱溶液腐蚀纳米线，或者是通过酸溶液或者碱溶液腐蚀纳米线，以形成具有垂直多孔结构的聚酰亚胺膜基体。
在上述步骤S22中，常见的路易斯强酸有氯化铝、氯化铁、三氟化硼、五氯化铌以及镧系元素的三氟甲磺酸盐。
在上述步骤S2中，在所述复合聚合物固体电解质101的一面形成界面修饰层102。可以通过涂布的方式或旋转涂布的方式在复合聚合物固体电解质101的表面形成界面修饰层102。
在上述步骤S3中，在所述界面修饰层102上形成负极103。当选用金属锂与离子阻塞型金属复合而成时，可以通过共蒸工艺将金属锂与离子阻塞型金属形成在界面修饰层102以获得负极103。当所述负极103不是复合负极103时，其可以通过磁控溅射的方式在界面修饰层102上形成负极103。
在上述步骤S4中，在所述负极103之上形成集流体104。在一些具体的实施方式中，通过物理气相沉积法在负极103上制备集流体104。物理气相沉积法包括蒸镀、溅射等方法。
在上述步骤S5中，在所述集流体104上形成正极105以获得一锂电芯结构10。可选地，可以通过旋转涂布或者蒸发的方式在集流体104上形成正极105。或者，在一些其它实施方式中，当所述正极105为复合正极105时，可以通过PLD共沉积固态电解质和传统正极105材料形成复合正极105。脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)，也被称为脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation，PLA)，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
请参阅图5，所述锂电池结构20的制备方法还包括步骤S6：将所述步骤S5获得的至少两个锂电芯结构10叠加形成锂电池结构20，任意相邻的两个锂电芯结构10中一者的正极105与另一者的复合聚合物固体电解质101贴合。
在步骤S6中，可以通过叠层压合的方式将锂电芯结构10进行逐个压合以获得锂电池结构20。
本发明第四实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括上述第二实施例提供的锂电池结构20。
相对于现有技术，本发明所提供的锂电芯结构、锂电池结构以及其制备方法，具有如下的有益效果：
所述锂电芯结构包括依次叠设的复合聚合物固体电解质、界面修饰层、负极、集流体以及正极，所述复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质。复合聚合物固体电解质兼具机物基底膜和通用的聚合物固态电解质，使得其可挠性、界面弹性均显著优于常规陶瓷电解质，易于与电极形成接触良好的界面，因此可改善由于电极体积膨胀收缩导致的界面脱附问题；并且，界面修饰层能很好的抑制负极锂枝晶的形成，提高电池的稳定性能。锂电芯结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电芯内非活性物质的含量，提高锂电芯结构的导电性能。提高电池的稳定性能。锂电芯结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电芯内非活性物质的含量，提高锂电芯结构的导电性能。
所述正极为有机正极或者为复合正极，所述复合正极由固态电解质和正极材料复合形成。正极采用有机正极，有机材料，通常其可绕性更强，进一步提高正极和复合固体电解质薄膜的贴合，提高其导电性能。
该界面修饰层可传导锂离子、且耐受形变能力比较强，能很好的适应电极的收缩和膨胀的性能，同时具有较高的杨氏模量，可有效解决负极界面脱附和锂枝晶生长等问题。该界面修饰层可传导锂离子、耐受大形变且具有较高的杨氏模量，可有效解决负极界面脱附和锂枝晶生长等问题。
金属锂负极具有极高的比容量，通过采用金属锂与离子阻塞型金属复合的结构能很好的提高金属锂的稳定性，以进一步提高锂电芯结构的稳定性。
本发明提供的一种锂电池结构，所述锂电池结构包括如上所述的锂电芯结构，至少两个所述锂电芯结构叠加形成锂电池结构，任意相邻的两个锂电芯结构中一者的正极与另一者的复合聚合物固体电解质贴合。锂电池结构的正极和负极共用一个集流体，能很好的降低锂电池内非活性物质的含量，提高锂电池结构的导电性能。同时，正极和负极共用一个集流体，且通过叠层压合的方式实现全固态双极叠层内串的锂电池结构的制备，这种内串结构不仅可以降低锂电芯内部非活性部件重量占比，提高电池性能。而且，正极采用有机正极，其内部的有机正极材料的克容量(≥500mAh/g)比起传统的LiCoO2正极材料更高，可以增加锂电池结构的能量密度。或者采用由传统正极材料和固态电解质构成的复合正极，从而解决目前固态锂电池电极动力学传输差，造成电极厚度低，面容量低的问题。进一步地，锂电池结构中的复合聚合物固体电解质形成柔性界面，可有效突破全固态电池体系中由于界面接触和电极体积变化导致的电荷传输/转移瓶颈和长期循环稳定性问题。
本发明提供的锂电池结构的制备方法和上述锂电芯结构以及锂电池结构具有相同的有益效果。
本发明提供的电子设备具有和上述锂电芯结构以及锂电池结构相同的有益效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂电芯结构，其特征在于：所述锂电芯结构包括依次叠设的复合聚合物固体电解质、界面修饰层、负极、集流体以及正极，所述复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质。
2.如权利要求1所述的锂电芯结构，其特征在于：所述有机物基底膜包括由聚酰亚胺材料形成的薄膜，所述有机物基底膜具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构。
3.如权利要求1所述的锂电芯结构，其特征在于：所述正极为有机正极或者为复合正极，所述复合正极由固态电解质和正极材料复合形成；所述界面修饰层由聚偏氟乙烯基质及分散于其中的氟化石墨组成。
4.如权利要求1所述的锂电芯结构，其特征在于：所述负极由金属锂与离子阻塞型金属复合而成；所述集流体包括金属氮化物或由多层金属组成的叠层薄膜中的一种。
5.如权利要求1所述的锂电芯结构，其特征在于：所述复合聚合物固体电解质的厚度为：8-12μm，所述界面修饰层的厚度为0.5-2μm；所述正极的厚度为1-50um。
6.一种锂电池结构，其特征在于：所述锂电池结构包括如权利要求1-5中任一项所述的锂电芯结构，至少两个所述锂电芯结构叠加形成锂电池结构，任意相邻的两个锂电芯结构中一者的正极与另一者的复合聚合物固体电解质贴合。
7.一种锂电池结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：制备复合聚合物固体电解质，所述复合聚合物固体电解质包括具有多孔结构的有机物基底膜以及灌注入所述有机物基底膜的多孔结构内的聚合物固态电解质；
S2：在所述复合聚合物固体电解质的一面形成界面修饰层；
S3：在所述界面修饰层上形成负极；
S4：在所述负极之上形成集流体；及
S5：在所述集流体上形成正极以获得一锂电芯结构。
8.如权利要求7所述的锂电池结构的制备方法，其特征在于：在上述步骤S2中，所述有机物基底膜包括由聚酰亚胺材料形成的薄膜，制备所述复合聚合物固体电解质的步骤如下：
步骤S21：通过离子径迹工艺使得所述有机物基底膜形成具有纳米级孔径垂直孔道的多孔结构；
步骤S22：使用原子层沉积工艺对所述步骤S21中获得的具有多孔结构的有机物基底膜进行路易斯强酸表面修饰；及
步骤S23:通过熔融灌注的方式在所述多孔结构内填入聚合物固态电解质。
9.如权利要求7所述的锂电池结构的制备方法，其特征在于：所述锂电池结构的制备方法还包括步骤S6：将所述步骤S5获得的至少两个锂电芯结构叠加形成锂电池结构，任意相邻的两个锂电芯结构中一者的正极与另一者的复合聚合物固体电解质贴合。
10.一种电子设备，其特征在于：所述电子设备包括如权利要求6所述的锂电池结构。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114552023A (zh) * 2021-11-02 2022-05-27 万向一二三股份公司 一种具有自支撑结构的层叠型全固体电池

Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101290985A (zh) * 2007-04-20 2008-10-22 日产自动车株式会社 非水溶剂二次电池
CN104393349A (zh) * 2014-11-17 2015-03-04 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种锂硫电池用保护层及其制备方法和使用该保护层的锂硫电池
CN105070946A (zh) * 2015-09-15 2015-11-18 中南大学 一种用于锂离子电池或锂硫电池的纳米结构准固体电解质及其制备方法和应用
CN105489845A (zh) * 2015-12-30 2016-04-13 哈尔滨工业大学 一种基于pvd制备全固态锂离子电池用薄层金属锂基负极的方法
CN108155345A (zh) * 2016-12-04 2018-06-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种金属锂二次电池的负极及其应用
CN108428938A (zh) * 2018-04-03 2018-08-21 山东大学 一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法
CN109155401A (zh) * 2016-10-13 2019-01-04 株式会社Lg化学 锂离子二次电池用负极及其制造方法
CN109326792A (zh) * 2018-10-08 2019-02-12 电子科技大学 一种锂合金负极材料及其制备方法
CN109686922A (zh) * 2018-12-06 2019-04-26 上海空间电源研究所 一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用
CN109935896A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN109935892A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN109935895A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN109935898A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN110120502A (zh) * 2018-02-05 2019-08-13 中国科学院物理研究所 一种锂金属合金负极材料及其制备方法和应用
CN110137421A (zh) * 2019-05-17 2019-08-16 中国科学院物理研究所 一种锂电池疏水复合膜和锂电池
CN110459803A (zh) * 2019-08-20 2019-11-15 昆山宝创新能源科技有限公司 复合电解质膜及其制备方法和应用
CN110474051A (zh) * 2019-07-11 2019-11-19 北京工业大学 一种常见染料罗丹明b作为锂离子电池有机正极材料的应用
CN110581304A (zh) * 2018-06-08 2019-12-17 郑州宇通集团有限公司 一种固态电池及其制备方法
CN110600808A (zh) * 2019-09-20 2019-12-20 哈尔滨工业大学 一种氟化碳改善固态电解质界面锂枝晶的方法
CN110832687A (zh) * 2018-03-27 2020-02-21 株式会社Lg化学 用于全固态电池的复合固体电解质膜和包含其的全固态电池

Patent Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101290985A (zh) * 2007-04-20 2008-10-22 日产自动车株式会社 非水溶剂二次电池
CN104393349A (zh) * 2014-11-17 2015-03-04 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种锂硫电池用保护层及其制备方法和使用该保护层的锂硫电池
CN105070946A (zh) * 2015-09-15 2015-11-18 中南大学 一种用于锂离子电池或锂硫电池的纳米结构准固体电解质及其制备方法和应用
CN105489845A (zh) * 2015-12-30 2016-04-13 哈尔滨工业大学 一种基于pvd制备全固态锂离子电池用薄层金属锂基负极的方法
CN109155401A (zh) * 2016-10-13 2019-01-04 株式会社Lg化学 锂离子二次电池用负极及其制造方法
CN108155345A (zh) * 2016-12-04 2018-06-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种金属锂二次电池的负极及其应用
CN109935898A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN109935896A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN109935892A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN109935895A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 成都英诺科技咨询有限公司 固态电解质及其锂电池电芯、锂电池
CN110120502A (zh) * 2018-02-05 2019-08-13 中国科学院物理研究所 一种锂金属合金负极材料及其制备方法和应用
CN110832687A (zh) * 2018-03-27 2020-02-21 株式会社Lg化学 用于全固态电池的复合固体电解质膜和包含其的全固态电池
CN108428938A (zh) * 2018-04-03 2018-08-21 山东大学 一种全固态钾离子电池电解质及其制备方法
CN110581304A (zh) * 2018-06-08 2019-12-17 郑州宇通集团有限公司 一种固态电池及其制备方法
CN109326792A (zh) * 2018-10-08 2019-02-12 电子科技大学 一种锂合金负极材料及其制备方法
CN109686922A (zh) * 2018-12-06 2019-04-26 上海空间电源研究所 一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用
CN110137421A (zh) * 2019-05-17 2019-08-16 中国科学院物理研究所 一种锂电池疏水复合膜和锂电池
CN110474051A (zh) * 2019-07-11 2019-11-19 北京工业大学 一种常见染料罗丹明b作为锂离子电池有机正极材料的应用
CN110459803A (zh) * 2019-08-20 2019-11-15 昆山宝创新能源科技有限公司 复合电解质膜及其制备方法和应用
CN110600808A (zh) * 2019-09-20 2019-12-20 哈尔滨工业大学 一种氟化碳改善固态电解质界面锂枝晶的方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIAYU WAN ET AL.: "Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries", 《NATURE NANOTECHNOLOGY》 *
史鹏飞: "《化学电源工艺学》", 31 March 2006 *
徐志康，万灵书: "《中国战略性新兴产业 新材料 高性能分离膜材料》", 31 December 2017, 中国铁道出版社 *
童忠良: "《新能源材料与应用》", 31 January 2008 *
贾耀卿: "《常用金属材料手册 下》", 31 August 2000 *
雷永泉: "《新能源材料》", 31 December 2000 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114552023A (zh) * 2021-11-02 2022-05-27 万向一二三股份公司 一种具有自支撑结构的层叠型全固体电池
CN114552023B (zh) * 2021-11-02 2023-07-07 万向一二三股份公司 一种具有自支撑结构的层叠型全固体电池

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