CN112786970A - 一种具有自加热功能的全固态电池及其制备方法 - Google Patents

一种具有自加热功能的全固态电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有自加热功能的全固态电池及其制备方法，通过将电解质浆料涂抹在镍网上，烘干后得到复合电解质层，再将正极片、负极片与复合电解质层叠片热压封装制成全固态电池。本发明所述的全固态电池使用金属Ni网直接对固体电解质加热，热量传递路径更短，能够使电芯受热更加均匀，升温速率更快。复合电解质中的金属Ni成网状结构，不会阻隔锂离子的传输。同时，本发明中的制备方法可以通过对电解质进行加热，有效控制固态电解质温度，解决低温或者室温下固态电解质电导率低的难题。

Description

一种具有自加热功能的全固态电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，尤其是涉及具有自加热功能的全固态电池及其制备方法。
背景技术
随着国家对新能源汽车产业的大力支持，电动汽车技术，尤其市动力锂电池技术已经取得巨大的技术进步，电动汽车续航里程不断增加，整体由原来的300公里，增加到目前的500，600公里，甚至800公里。对于单体电芯来说，目前普遍采用液态电解液体系，能量密度能达到260-300Wh/kg，但是基本上已达到理论能量密度的极限。同时，传统液态锂离子电池体系采用易燃的液态电解液，存在安全隐患，并且，在低温下电化学反应动力学缓慢，极易在负极产生析锂。因此，亟待开发和应用下一代动力电池技术，例如固态电池、锂硫电池、氢燃料电池等。其中，固态电池因为体系变化小，与现有的液态电池体系的主要区别在于使用了固态电解质，是最具潜力的下一代二次电池。但是，与液态电池体系低温下动力过程缓慢类似，目前的固态电解质室温下的电导率普遍偏低，低温下的导电性更差。针对电池低温下电化学反应动力学差的问题，一般增设加热器，将电芯温度升温到合适的反应温度。但是，这种方式，受热不均匀且加热效率较低。对此，研究人员开发了内加镍片的电池自加热技术，直接在电池内部产生热量。故其加热效率相对更高，受热更加均匀。
现有的液态锂电池一般通过电解液添加剂的形式改善低温下的电池动力学过程，以提升电池低温性能，固态电池与液态电池类似，通过添加特殊的固态电解质添加剂改善电池低温性能。但是在-20℃等较低温度下，该方法作用有限。而采用外部增设加热器，虽然能够显著提升电池温度，但是该方法热量由电芯外部向电芯内部扩散，对电池的加热作用不均匀，电池温升速率较慢。
公开号为CN109286036A的发明专利公开了一种低温下自加热锂电池及其制备方法，其通过向液态电池体系中引入自加热元件金属Ni片，能够使电动汽车在冬季低温下充电速度提高，实现电动汽车低温下的快速启动。但是，该方法制备的自加热锂电池Ni片夹在负极的单面负极片之间，产生的热量只能通过热扩散的形式向整个电芯扩散，升温相对较慢，同时，加热元件金属Ni以实心片状的形式置于电芯内部，不利于电芯能量密度的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有自加热功能的全固态电池及其制备方法，以提高全固态电池的升温速率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有自加热功能的全固态电池的制备方法，包括以下步骤：
a.制备正极片；
b.制备负极片；
c.制备复合电解质层，将电解质浆料涂抹在镍网上，烘干后得到复合电解质层；
d.将正极片、负极片、复合电解质层裁切、叠片、烘烤、热压、封装得到所需全固态电池。
优选的，步骤c中电解质浆料的制备方法为：将电解质材料在50-90℃温度下预烤，之后在行星搅拌机中进行充分干混30min-2h，再加入溶剂以2000r/min的速度搅拌1-4h，制成电解质浆料。
优选的，所述电解质材料包括固态电解质和锂盐，所述固态电解质包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸乙烯酯、LGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、锂镧锆氧中的一种或多种的混合物，固态电解质在电解质材料中的质量占比为95-99.9％；所述锂盐包括六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂、高氯酸锂中的一种或两种的混合物，锂盐在电解质材料中的质量占比为0.1-5％，所述溶剂添为NMP，溶剂在电解质浆料中的质量占比为15-30％。
优选的，步骤c中的镍网为100-300目，厚度为6-20μm，烘烤温度为50-80℃，复合电解质层的厚度为30-50μm。
优选的，步骤a中正极片的制备方法为：将正极材料在50-90℃温度下预烤，之后在行星搅拌机中以3000r/min的转速搅拌1-3h，再加入溶剂以3000r/min的转速搅拌1-6h，得到正极浆料，将正极浆料双面涂覆在铝箔上，烘烤并碾压得到正极片，所述铝箔的厚度为8-15μm，碾压前涂覆在铝箔上的正极材料的厚度为150-190μm，烘烤温度为60-90℃，时间为1-5h，碾压后制得的正极片厚度为120-140μm。
优选的，所述正极材料包括活性物质、导电剂、固态电解质、粘结剂和锂盐，活性物质为NCM523、NCM622、NCM811、LiCoO2、LiFePO4中的一种，活性物质在正极材料中的质量占比为70-90％，导电剂为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、导电炭黑、石墨烯中的一种或多种的混合物，导电剂在正极材料中的质量占比为0.05-5％，固态电解质为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸乙烯酯、LGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、锂镧锆氧中的一种或多种的混合物，固态电解质在正极材料中的质量占比为1-20％，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、羧甲基纤维素钠中的一种或多种的混合物，粘结剂在正极材料中的质量占比1-5％，锂盐为六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂3、高氯酸锂中的一种或两种的混合物，锂盐在正极材料中的质量占比为0.01-0.5％，溶剂为NMP溶液。
优选的，步骤b中负极片的制备方法为：将锂箔通过碾压机负载在铜箔上，得到所需负极片，其中，铜箔的厚度5-10μm，锂箔为单独的锂金属、Li-In合金、Li-Sn合金中的一种，碾压前锂箔的厚度为10-50μm，碾压后镀锂在负极片上的厚度为3-20μm。
优选的，步骤d中烘烤温度为85℃，烘烤时间为30min，热压压力为0.2-1MPa，热压温度为85℃。
根据上述任一所述的制备方法制得的具有自加热功能的全固态电池。
相对于现有技术，本发明所述的具有自加热功能的全固态电池及其制备方法具有以下优势：
本发明所述的全固态电池使用金属Ni网直接对固体电解质加热，热量传递路径更短，能够使电芯受热更加均匀，升温速率更快。复合电解质中的金属Ni成网状结构，不会阻隔锂离子的传输。同时，本发明中的制备方法可以通过对电解质进行加热，有效控制固态电解质温度，解决低温或者室温下固态电解质电导率低的难题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的复合电解质层的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的全固态电池的结构示意图。
附图标记说明：
1、镍网；2、电解质层；3、正极极耳；4、负极极耳；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
1、正极制备工序：将正极材料各组分预烘烤，温度50-90℃，之后按一定比例置于行星搅拌机中搅拌，搅拌均匀后添加溶剂并继续搅拌，制成正极浆料。其中，正极材料包括活性物质、导电剂、固态电解质、粘结剂和锂盐，活性物质为镍钴锰NCM523、NCM622、NCM811，LiCoO2，LiFePO4中的一种，质量占比为70％-90％，导电剂为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、导电炭黑、石墨烯中的一种或几种，质量占比为0.05％-5％，固态电解质为聚氧化乙烯PEO、聚偏氟乙烯PVDF、聚碳酸乙烯酯PEC、LGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、锂镧锆氧LLZO中的一种或几种，质量占比为1-20％，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、羧甲基纤维素钠中的一种或几种，质量占比1％-5％，锂盐为六氟磷酸锂LiPF6、三氟甲磺酸锂LiCF3SO3、高氯酸锂LiClO4中的一种或两种，质量占比为0.01-0.5％。溶剂为NMP溶液，未加溶剂前，正极材料混合时间为1h-3h，转速3000r/min，添加溶剂后，继续搅拌1h-6h，转速3000r/min。之后将上述制备的正极浆料均匀涂在铝箔上，双面涂覆，烘烤并碾压，铝箔厚度8μm-15μm，涂层厚度150μm-190μm，烘烤温度60-90℃，时间1-5h，之后碾压，碾压厚度120μm-140μm，得到正极片。
2、复合电解质层制备：将电解质材料各组分预先烘烤，温度50-90℃，之后按一定比例置于行星搅拌机中进行充分干混，时间为30min-2h，之后添加溶剂并搅拌，转速为2000r/min，时间为1h-4h。电解质材料包括固态电解质和锂盐，固态电解质包括聚氧化乙烯PEO、聚偏氟乙烯PVDF、聚氯乙烯PVC、聚碳酸乙烯酯PEC、LGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、锂镧锆氧LLZO中的一种或几种，质量占比为95-99.9％；锂盐为六氟磷酸锂LiPF6、三氟甲磺酸锂LiCF3SO3、高氯酸锂LiClO4中的一种或两种，质量占比为0.1-5％。溶剂添为NMP，质量占比为15％-30％。将制成的浆料均匀涂在如图1所示的镍网1上，形成电解质层2，并烘烤干燥，烘烤温度50℃-80℃，时间10-60min。镍网孔隙在100-300目，网厚度6μm-20μm，双面涂完电解质后，复合涂层厚度30μm-50μm，得到复合电解质层。
3、负极制备：以铜箔为基体，将高延展性的锂箔通过碾压机负载在铜箔上，得到镀锂铜箔。其中，铜箔的厚度5-10μm，锂箔可以。为单独的锂金属，也可以为Li-In合金，Li-Sn合金等，其厚度为10-50μm，经过碾压后，镀锂铜箔上，锂层厚度为3-20μm。
4、将上述制备得到的正极片、复合电解质层、负极片保留正极极耳3及负极极耳4并裁切为合适尺寸后，依次叠片，片数可根据容量需求进行调整，并对叠好的极片进行85℃烘烤30min，取出后即刻进行热压，压力0.2-1MPa，热压机温度85℃，最后进行封装化成。如图2所示，正极极耳3与复合电解质层的镍网1连接。电芯在加热时，需要将正极极耳3和镍网1连上电源，通过电流，电流大小在1mA-200A，电流频率在1mHz-100KHz，当温度达到合适温度后，断开镍网1，连电芯的负极极耳4，电芯进行充放电。
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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.制备正极片；
b.制备负极片；
c.制备复合电解质层，将电解质浆料涂抹在镍网上，烘干后得到复合电解质层；
d.将正极片、负极片、复合电解质层裁切、叠片、烘烤、热压、封装得到所需全固态电池。
2.根据权利要求1所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于，步骤c中电解质浆料的制备方法为：将电解质材料在50-90℃温度下预烤，之后在行星搅拌机中进行充分干混30min-2h，再加入溶剂以2000r/min的速度搅拌1-4h，制成电解质浆料。
3.根据权利要求2所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于，所述电解质材料包括固态电解质和锂盐，所述固态电解质包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸乙烯酯、LGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、锂镧锆氧中的一种或多种的混合物，固态电解质在电解质材料中的质量占比为95-99.9％；所述锂盐包括六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂、高氯酸锂中的一种或两种的混合物，锂盐在电解质材料中的质量占比为0.1-5％，所述溶剂添为NMP，溶剂在电解质浆料中的质量占比为15-30％。
4.根据权利要求1所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于：步骤c中的镍网为100-300目，厚度为6-20μm，烘烤温度为50-80℃，复合电解质层的厚度为30-50μm。
5.根据权利要求1所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于，步骤a中正极片的制备方法为：将正极材料在50-90℃温度下预烤，之后在行星搅拌机中以3000r/min的转速搅拌1-3h，再加入溶剂以3000r/min的转速搅拌1-6h，得到正极浆料，将正极浆料双面涂覆在铝箔上，烘烤并碾压得到正极片，所述铝箔的厚度为8-15μm，碾压前涂覆在铝箔上的正极材料的厚度为150-190μm，烘烤温度为60-90℃，时间为1-5h，碾压后制得的正极片厚度为120-140μm。
6.根据权利要求5所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于：所述正极材料包括活性物质、导电剂、固态电解质、粘结剂和锂盐，活性物质为NCM523、NCM622、NCM811、LiCoO2、LiFePO4中的一种，活性物质在正极材料中的质量占比为70-90％，导电剂为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、导电炭黑、石墨烯中的一种或多种的混合物，导电剂在正极材料中的质量占比为0.05-5％，固态电解质为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸乙烯酯、LGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、锂镧锆氧中的一种或多种的混合物，固态电解质在正极材料中的质量占比为1-20％，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、羧甲基纤维素钠中的一种或多种的混合物，粘结剂在正极材料中的质量占比1-5％，锂盐为六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂3、高氯酸锂中的一种或两种的混合物，锂盐在正极材料中的质量占比为0.01-0.5％，溶剂为NMP溶液。
7.根据权利要求1所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于，步骤b中负极片的制备方法为：将锂箔通过碾压机负载在铜箔上，得到所需负极片，其中，铜箔的厚度5-10μm，锂箔为单独的锂金属、Li-In合金、Li-Sn合金中的一种，碾压前锂箔的厚度为10-50μm，碾压后镀锂在负极片上的厚度为3-20μm。
8.根据权利要求1所述的具有自加热功能的全固态电池的制备方法，其特征在于，步骤d中烘烤温度为85℃，烘烤时间为30min，热压压力为0.2-1MPa，热压温度为85℃。
9.根据权利要求1-8任一所述的制备方法制得的具有自加热功能的全固态电池。
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