CN114976216A - 一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其中，所述夹心状固态电解质包括彼此贴合的中间层为石榴石固体电解质LLZO，面向正极一侧固态电解质层为聚碳酸酯PC固态电解质，面向负极一侧固态电解质层为聚丙烯腈PAN固态电解质。本发明的有益效果在于，所设计的夹心状固态电解质组装而成的固态金属锂电池可以在0.5C的电流密度下，在3‑4.5 V高电压范围稳定运行，比能量密度高于300 Wh/kg，并稳定循环达2000周；同时解决了固态电解质与电极材料接触界面阻抗过大，不利于锂离子扩散的问题。

Description

一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法
技术领域
本发明涉及电池的技术领域，具体涉及一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法。
背景技术
因为能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，锂电池在新能源汽车、储能设备等领域取得了商业成功。目前，市场上所售卖的绝大多数锂电池所使用的电解液为有机液态电解质。这种电解质有着离子迁移率高、界面阻抗小等优点。但是有机液态电解液质也容易与电极发生副反应，为电池带来胀气的问题。此外，当负极采用金属锂时，锂枝晶生长可以能穿透隔膜，连接电池正负极，致使电池短路，造成安全隐患。而液态电解质既无法抑制锂枝晶生长，还会因为电池短路带来的高温而燃烧。
为了解决上述问题，固态电解质被开发并应用。固态电解质拥有高模量和不易燃的优点：高模量可以有效抑制锂枝晶的生长，而不易燃则可以避免电池燃烧爆炸。目前研究较多的固态电解质有无机物固态电解质（硫化物体系、石榴石型氧化物体系等）和有机物固态电解质（聚乙烯醇体系、聚偏氟乙烯-六氟丙烯体系等）等。然而不同于有机液态电解质可以很好地浸润电极、与电极材料接触，固态电解质和电极界面为固-固界面，锂离子需要较高的能量才能扩散通过这一界面。如何解决固态电解质和电极地接触问题是固态电解质应用的关键问题之一。
发明内容
针对现有技术的存在的问题，本发明旨在提供一种夹心状固态电解质和固态电池及其制备方法，利用本发明可以解决固态电解质与电极材料接触界面阻抗过大，不利于锂离子扩散的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，所述方法包括：在条件H2O<0.1ppm、O2<0.1ppm手套箱中，将聚丙烯腈PAN固态电解质层、石榴石固体电解质LLZO层、聚碳酸酯PC固态电解质层依次贴合，得到夹心状固态电解质；向得到的夹心状固态电解质滴加有机液态电解质，其中，滴加量为每1 g夹心状固态电解质滴加20 μL有机液态电解质，并且需分别向聚丙烯腈PAN固态电解质层一侧和聚碳酸酯PC固态电解质层一侧滴加；最后依次将正极壳、NCM811极片、有机液态电解质、夹心状固态电解质、有机液态电解质、锂片、不锈钢垫片、弹簧片和负极壳自下而上组装，然后转移至压片机进行冲压封装，得到制作完成的固态锂电池。
需要说明的是，所述有机液态电解质为1 M的六氟磷酸锂和碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯的混合非水有机溶剂；其中，体积比为碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯=3:7。
需要说明的是，所述夹心状固态电解质包括彼此贴合的中间层为石榴石固体电解质LLZO，面向正极一侧固态电解质层为聚碳酸酯PC固态电解质，面向负极一侧固态电解质层为聚丙烯腈PAN固态电解质。
需要说明的是，所述夹心状固态电解质厚度小于等于10 μm，其中，所述面向正极一侧固态电解质层厚度为1-3 μm，所述面向负极一侧固态电解质层厚度为1-3 μm，所述中间层厚度为2-6 μm。
需要说明的是，所述固态锂电池包括电池壳体以及位于电池壳体内的正极材料、负极材料、夹心状固态电解质，其中，在所述固态锂电池装配过程中，向固态电解液滴加有机液态电解质。
需要说明的是，所述有机液态电解质为锂盐和非水有机溶剂。
需要说明的是，所述正极材料可选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1-yMyO2、LiNi1- yMyO2、LiMn2-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的一种或两种以上，其中，M选自Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V或Ti中的一种或两种以上，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
需要说明的是，所述负极材料包括负极集流体和位于负极集流体上的负极材料，其中包括石墨、硬碳、软碳、硅碳复合材料、硅氧碳复合材料、金属锂、金属锂的合金中的一种或多种。
本发明的有益效果在于，所设计的夹心状固态电解质组装而成的固态金属锂电池可以在0.5C的电流密度下，在3-4.5 V高电压范围稳定运行，比能量密度高于300 Wh/kg，并稳定循环达2000周；同时解决了固态电解质与电极材料接触界面阻抗过大，不利于锂离子扩散的问题。
附图说明
图1是由固态电解质1制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图2是由固态电解质1制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图3是由固态电解质2制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图4是由固态电解质2制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图5是由固态电解质3制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图6是由固态电解质3制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图7是由固态电解质4制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图8是由固态电解质4制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图9是由固态电解质5制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图10是由固态电解质5制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图11是由固态电解质6制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图12是由固态电解质6制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图13是由固态电解质7制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图14是由固态电解质7制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图；
图15是由固态电解质8制备的锂电池前三周充放电曲线图；
图16是由固态电解质8制备的锂电池2000周循环的放电比容量和能量密度图。
具体实施方式
以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本发明为一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，所述方法包括：在条件H2O<0.1ppm、O2<0.1ppm手套箱中，将聚丙烯腈PAN固态电解质层、石榴石固体电解质LLZO层、聚碳酸酯PC固态电解质层依次贴合，得到夹心状固态电解质；向得到的夹心状固态电解质滴加有机液态电解质，其中，滴加量为每1 g夹心状固态电解质滴加20 μL有机液态电解质，并且需分别向聚丙烯腈PAN固态电解质层一侧和聚碳酸酯PC固态电解质层一侧滴加；最后依次将正极壳、NCM811极片、有机液态电解质、夹心状固态电解质、有机液态电解质、锂片、不锈钢垫片、弹簧片和负极壳自下而上组装，然后转移至压片机进行冲压封装，得到制作完成的固态锂电池。
需要说明的是，所述有机液态电解质为1 M的六氟磷酸锂和碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯的混合非水有机溶剂；其中，体积比为碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯=3:7。
需要说明的是，所述夹心状固态电解质包括彼此贴合的中间层为石榴石固体电解质LLZO，面向正极一侧固态电解质层为聚碳酸酯PC固态电解质，面向负极一侧固态电解质层为聚丙烯腈PAN固态电解质。
需要说明的是，所述夹心状固态电解质厚度小于等于10 μm，其中，所述面向正极一侧固态电解质层厚度为1-3 μm，所述面向负极一侧固态电解质层厚度为1-3 μm，所述中间层厚度为2-6 μm。
需要说明的是，所述固态锂电池包括电池壳体以及位于电池壳体内的正极材料、负极材料、夹心状固态电解质，其中，在所述固态锂电池装配过程中，向固态电解液滴加有机液态电解质。
需要说明的是，所述有机液态电解质为锂盐和非水有机溶剂。
需要说明的是，所述正极材料可选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1-yMyO2、LiNi1- yMyO2、LiMn2-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的一种或两种以上，其中，M选自Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V或Ti中的一种或两种以上，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
需要说明的是，所述负极材料包括负极集流体和位于负极集流体上的负极材料，其中包括石墨、硬碳、软碳、硅碳复合材料、硅氧碳复合材料、金属锂、金属锂的合金中的一种或多种。
实施例1
夹心状固态电解质总厚度为8 μm，LLZO中间层厚度为4 μm，PAN层和PC层厚度均为2 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质1。
实施例2
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为4 μm，LLZO中间层厚度为2 μm，PAN层和PC层厚度均为1 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质2。
实施例3
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为6 μm，LLZO中间层厚度为2 μm，PAN层和PC层厚度均为2 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质3。
实施例4
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为8 μm，LLZO中间层厚度为2 μm，PAN层和PC层厚度均为3 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质4。
实施例5
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为6 μm，LLZO中间层厚度为4 μm，PAN层和PC层厚度均为1 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质5。
实施例6
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为10 μm，LLZO中间层厚度为4 μm，PAN层和PC层厚度均为3 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质6。
实施例7
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为8 μm，LLZO中间层厚度为6 μm，PAN层和PC层厚度均为1 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质7。
实施例8
夹心状固态电解与实施例1所述电解质结构相同，区别在于，夹心状固态电解质总厚度为10 μm，LLZO中间层厚度为6 μm，PAN层和PC层厚度均为2 μm。将这种夹心状固态电解称为固态电解质8。
性能测试
分别采用上述实施例制备得到的固态电解质1-8，装配固态金属锂电池。
固态金属锂电池制备方法如下：
在手套箱内（H2O<0.1ppm，O2<0.1ppm）中，依次将正极壳→NCM811极片→有机液态电解质→夹心状固态电解质→有机液态电解质→锂片→不锈钢垫片→弹簧片→负极壳自下而上组装，然后转移至压片机进行冲压封装，得到制作完成的固态金属锂电池。
采用新威测试设备对组装的电池进行电化学性能测试，得到的测试结果如图1-图16所示。
从图1-图2可以看出，由本方案所设计的夹心状固态电解质1所组装的Li||NCM811电池可以耐受4.5 V（vs. Li+/Li）高电压，使得电池正常运行；并可以保护正负极材料，使电池在0.5 C的电流密度下稳定运行2000周，其初始比能量密度为410.24 Wh/kg，循环2000周后，比能量密度为331.91 Wh/kg，比能量密度保持率为80.9%。对照电解质2，电解质3，电解质5，虽然电池依然可以正常运行，并且初始比能量密度均超过350 Wh/kg，但是夹心状固态电解质厚度整体变薄，其循环稳定性下降，循环2000周后比能量密度降低较多，比能量密度低于300 Wh/kg。这说明夹心状固态电解质厚度过薄会削弱对于电极材料的保护效果。而对比电解质8，固态电解质厚度过厚，尤其是LLZO中间层厚度过厚时，电池内阻增大，比容量和比能量密度下降。对照电解质4，电解质6，电解质7，其性能略低于电解质1。由各固态电解质组装的电池的初始比能量密度、2000周比能量密度展示于下表。
Figure 963177DEST_PATH_IMAGE001
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在条件H2O<0.1ppm、O2<0.1ppm手套箱中，将聚丙烯腈PAN固态电解质层、石榴石固体电解质LLZO层、聚碳酸酯PC固态电解质层依次贴合，得到夹心状固态电解质；向得到的夹心状固态电解质滴加有机液态电解质，其中，滴加量为每1 g夹心状固态电解质滴加20 μL有机液态电解质，并且需分别向聚丙烯腈PAN固态电解质层一侧和聚碳酸酯PC固态电解质层一侧滴加；最后依次将正极壳、NCM811极片、有机液态电解质、夹心状固态电解质、有机液态电解质、锂片、不锈钢垫片、弹簧片和负极壳自下而上组装，然后转移至压片机进行冲压封装，得到制作完成的固态锂电池。
2.根据权利要求1所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述有机液态电解质为1 M的六氟磷酸锂和碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯的混合非水有机溶剂；其中，体积比为碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯=3:7。
3.根据权利要求1所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述夹心状固态电解质包括彼此贴合的中间层为石榴石固体电解质LLZO，面向正极一侧固态电解质层为聚碳酸酯PC固态电解质，面向负极一侧固态电解质层为聚丙烯腈PAN固态电解质。
4.根据权利要求1所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述夹心状固态电解质厚度小于等于10 μm，其中，所述面向正极一侧固态电解质层厚度为1-3 μm，所述面向负极一侧固态电解质层厚度为1-3 μm，所述中间层厚度为2-6 μm。
5.根据权利要求1所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述固态锂电池包括电池壳体以及位于电池壳体内的正极材料、负极材料、夹心状固态电解质，其中，在所述固态锂电池装配过程中，向固态电解液滴加有机液态电解质。
6.根据权利要求5所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述有机液态电解质为锂盐和非水有机溶剂。
7.根据权利要求5所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述正极材料可选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1-yMyO2、LiNi1-yMyO2、LiMn2-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的一种或两种以上，其中，M选自Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V或Ti中的一种或两种以上，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
8.根据权利要求5所述的具有夹心状固态电解质的固态锂电池的制备方法，其特征在于，所述负极材料包括负极集流体和位于负极集流体上的负极材料，其中包括石墨、硬碳、软碳、硅碳复合材料、硅氧碳复合材料、金属锂、金属锂的合金中的一种或多种。
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