CN111883820A - 一种固态锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态锂电池，所述电池极芯由固态电解质层、正极电极层、负极电极层依次叠加而成，且所述固态电解质层设置于所述电池极芯最外层，以及设置于所述正极电极层和所述负极电极层之间。本发明通过多层叠片方式，构建电极‑电解质三明治结构，固态电解质层起到电解质、隔膜、保护层的三重作用，极芯最外层为固态电解质层，可提升电池安全性，结合扩大的正负极材料匹配选择范围，可提高电池能量密度。

Description

一种固态锂电池
技术领域
本发明涉及锂电池、固态锂电池领域，特别涉及一种固态锂电池。
背景技术
锂离子电池是一种重要的电化学储能器件，具有能量密度高、功率密度高、响应速度快、长寿命、无记忆效应等特点，已广泛应用于消费类电子产品、电动汽车、分布式储能等领域。锂离子电池技术还在发展，今后能量密度将从现在的200Wh/kg进一步提升到300Wh/kg。但是，在300Wh/kg的基础上，其能量密度的进一步提升受到限制，这将不能很好地满足未来日益增长的市场需求。在锂离子电池逐渐应用在社会各个领域的同时，电池的安全性成为非常重要的考虑因素。目前，锂离子电池的安全性主要与电池内部使用了易燃烧、热稳定性较差的有机电解液有关。当电池出现内外部短路、过热时，电池内部热失控从而引起起火燃烧。电池的能量密度越高，安全性问题越突出。目前公认，发展固态锂电池，将有望能兼顾电池安全性和能量密度提升这两方面问题。
现有锂离子电池体系中，正负极材料的选择较局限。正极大多采用含锂过渡金属层状氧化物(例如，钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等)，负极大多采用无锂负极(例如，软碳、硬碳、石墨、硅等)。局限的正负极材料匹配，使得电池能量密度的进一步提升受到限制。
目前传统电池组装方式，比如卷绕、叠片等，不能很好地发挥固态电池的特点，此外，高能量正负极材料的引入，在现有电池结构下，将增加电池安全性的风险。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本领域亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中固态锂电池引入高能量密度正负极材料时，现有电池结构将增加电池安全性风险的技术问题，本发明提供了一种电池安全性能高的固态锂电池结构。
为了实现上述目的，本发明公开了一种固态锂电池，所述电池极芯由固态电解质层、正极电极层、负极电极层依次叠加而成；
所述固态电解质层分别设置于所述电池极芯最外层，以及设置于所述正极电极层和所述负极电极层之间。
进一步地，所述固态电解质层面积大于所述正极电极层面积和所述负极电极层面积。
进一步地，所述正极电极层与所述负极电极层位置可以互换。
进一步地，所述固态电解质层所用材料包括以下任意一种或几种：氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质、有机-无机复合电解质等。
进一步地，
所述正极电极层的正极电极材料和所述负极电极层的负极电极材料对应匹配；
若所述正极电极层的正极电极材料为含锂正极材料，则所述负极电极层的负极电极材料为无锂负极或含锂负极材料；
若所述正极电极层的正极电极材料为无锂正极材料，则所述负极电极层的负极电极材料为含锂负极材料。
进一步地，所述含锂正极材料包括以下任意一种：正交结构聚阴离子类正极材料、层状结构的氧化物正极材料、尖晶石结构正极材料等。
进一步地，所述无锂负极材料包括以下任意一种：碳基负极材料、硅基负极材料、氧化物基负极材料等。
进一步地，所述无锂正极材料包括以下任意一种：氧化物正极材料、硫化物正极材料、氟化物正极材料等。
进一步地，所述含锂负极材料包括以下任意一种：钛酸锂负极材料、金属锂负极材料、含金属锂的复合负极材料。
本发明提供的技术方案通过多层叠片方式，构建电极-电解质三明治结构，固态电解质层起到电解质、隔膜、保护层的三重作用，电池极芯最外层为固态电解质层，可提升电池安全性，结合扩大的正负极材料匹配选择范围，可提高电池能量密度。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图展示了符合本发明的装置和方法的实施方案，并与详细描述一起用于解释符合本发明的优点和原理。
图1是本申请实施方式提供的一种固态锂离子电池的极芯结构示意图。
附图标记说明
1-固态电解质层
2-电极层A
3-电极层B
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，本发明并不局限于以下描述的实施方式。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合，且本发明的技术理念可以与其他公知技术或与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
实施例一
本实施例提供了一种固态锂电池，在扩大正负极材料匹配选择范围的基础上，进行了电池极芯结构的改进，既提高了电池的能量密度又保证其安全性。图1是本申请实施方式提供的一种固态锂电池的极芯结构示意图。
参照图1所示，本实施例提供的一种固态锂电池，该电池极芯中，将固态电解质层1、正极电极层2以及负极电极层3通过多层叠片的方式构造而成。固态电解质层1分别设置于电池极芯最外层，以及设置于所述正极电极层和所述负极电极层之间。固态电解质层1所用材料包括但不限于以下任意一种或几种：氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质、有机-无机复合电解质等。
固态电解质层1面积大于电极层A2面积和电极层B3面积，需要说明的是，本实施例中电极层A2为正极电极层，电极层B3为负极电极层。在其他实施例中电极层A2可以为负极电极层，电极层B3可以为正极电极层。
基于本实施例提供的电池极芯结构，可扩大正负极材料匹配选择的范围，在本实施例中选择正极电极层2的正极电极材料为为含锂正极材料，负极电极层3的负极电极材料为为无锂负极材料。
含锂正极材料包括但不限于以下任意一种：正交结构聚阴离子类正极材料、层状结构的氧化物正极材料、尖晶石结构正极材料等。
无锂负极材料包括但不限于以下任意一种：碳基负极材料、硅基负极材料、氧化物基负极材料等。
例如，具体可以为，正极电极层2采用NCM622作为正极材料，在铝集流体上双面涂覆，双面面密度为440g/m2，压实密度3.5g/cm3，制成正极电极层2；负极电极层3采用Si/C作为负极材料，在铜集流体上双面涂覆，双面面密度可以为190g/m2，压实密度1.6g/cm3，制成负极电极层3；固态电解质层1可以采用LATP作为电解质材料，涂敷于PP基材上，双面涂覆，整体膜厚度16um，制成固态电解质层1。最后采用叠片方式，按照固态电解质层1-负极电极层3-固态电解质层1-正极电极层2的顺序组装在一起，形成电池极芯，极芯的最外层为固态电解质层1。
实施例二
本实施例提供一种固态锂电池，与实施例一区别在于，在本实施例中，电极层A2为正极电极层，电极层B3为负极电极层，正极电极层2的正极电极材料为为无锂正极材料，且负极电极层3的负极电极材料为为含锂负极材料。
无锂正极材料包括但不限于以下任意一种：氧化物正极材料、硫化物正极材料、氟化物正极材料等。
含锂负极材料包括但不限于以下任意一种：钛酸锂负极材料、金属锂负极材料、含金属锂的复合负极材料等。
例如，具体可以为，正极电极层2采用MnO2作为正极材料；负极电极层3可以采用金属锂作为负极材料，厚度为20um；固态电解质层1采用聚合物固态电解质PEO，制成厚度为20um的膜。采用叠片方式，按照固态电解质层1-负极电极层3-固态电解质层1-正极电极层2的顺序组装在一起，形成极芯，极芯的最外层均为固态电解质层1。
与现有技术相比较，本发明所提供的固态锂离子电池具有以下优点：第一、本发明的电池极芯采用叠片方式，按照固态电解质层-负(正)极片-固态电解质层-正(负)极片进行组装，极芯的最外层为固态电解质层，固态电解质层起到了电解质、隔膜、保护层的三重作用。固态电解质自身不易燃、不导电，可抑制电池内部热失控蔓延，此外，极芯最外层使用固态电解质层保护，在起到机械保护作用的同时，当遇到针刺等极端情况时，在钢针刺入的过程中，固态电解质可局部包裹钢针，避免钢针刺入电池内部时，联通正负极，快速触发电池短路放热，从而提升电池安全性；第二、基于此电池极芯结构，扩大了正负极材料匹配选择范围，可提升电池能量密度。这主要是因为：传统液态锂离子电池体系中，正极采用含锂正极材料，负极采用无锂材料或含锂的钛酸锂材料，可选的正负极材料种类有限，导致电池能量密度的进一步提升受到限制。金属锂作为负极可以显著提升电池能量密度，但在液态电解质环境中，由于金属锂表面电场、浓度场不均匀性问题以及金属锂自身巨大的体积变化和不稳定的SEI等问题，导致金属锂在液态电解质中的应用难度极大，离其产业化应用很遥远。将液态电解质环境替换为固态电解质，使得上述金属锂的问题可以解决，使得金属锂的应用成为可能。金属锂或者含有金属锂的负极一旦可以应用，可进一步扩大正极材料的选择范围，可以选用不含锂的正极材料。固态电解质不流动的特点，使其可以应用在本专利设计的叠片结构中。因此，基于此电池极芯结构，可扩大正负极材料匹配选择范围，可提升电池能量密度。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
在以上具体实施例的说明中，方位术语“上”、“下”、”左”、“右”、“顶”、“底”、“竖向”、“横向”和“侧向”等的使用仅仅出于便于描述的目的，而不应视为是限制性的。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种固态锂电池，其特征在于，所述电池极芯由固态电解质层、正极电极层、负极电极层依次叠加而成；
所述固态电解质层分别设置于所述电池极芯的最外层，以及设置于所述正极电极层和所述负极电极层之间。
2.如权利要求1所述的固态锂电池，其特征在于，所述固态电解质层面积大于所述正极电极层面积和所述负极电极层面积。
3.如权利要求1所述的固态锂电池，其特征在于，所述正极电极层与所述负极电极层位置可以互换。
4.如权利要求1所述的固态锂电池，其特征在于，所述固态电解质层所用材料包括以下任意一种或几种：氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质、有机-无机复合电解质。
5.如权利要求1所述的固态锂电池，其特征在于，所述正极电极层的正极电极材料和所述负极电极层的负极电极材料对应匹配；
若所述正极电极层的正极电极材料为含锂正极材料，则所述负极电极层的负极电极材料为无锂负极或含锂负极材料；
若所述正极电极层的正极电极材料为无锂正极材料，则所述负极电极层的负极电极材料为含锂负极材料。
6.如权利要求5所述的固态锂电池，其特征在于，所述含锂正极材料包括以下任意一种：正交结构聚阴离子类正极材料、层状结构氧化物正极材料、尖晶石结构正极材料。
7.如权利要求5所述的固态锂电池，其特征在于，所述无锂负极材料包括以下任意一种：碳基负极材料、硅基负极材料、氧化物基负极材料。
8.如权利要求5所述的固态锂电池，其特征在于，所述无锂正极材料包括以下任意一种：氧化物正极材料、硫化物正极材料、氟化物正极材料。
9.如权利要求5所述的固态锂电池，其特征在于，所述含锂负极材料包括以下任意一种：钛酸锂负极材料、金属锂负极材料、含金属锂的复合负极材料。
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