CN116470235A - 一种固态电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态电池，其电芯包括多个正极极片和多个负极极片，所述正极极片和负极极片从下到上交错层叠设置，且最上层极片、最下层极片均为负极极片；所述电芯相邻的两个极片之间设有固态电解质涂层隔膜。本发明还公开了上述固态电池的制备方法。本发明制得的固态电池具有容量大、比能量密度高、自放电小、倍率大、循环寿命长等特点，在确保电池使用性能的同时，降低了电池的制造成本，并提高了电池的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及固态电池技术领域，尤其涉及一种固态电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池自诞生以来，已经过了4个阶段的技术进步。首先是在数码产品方面的用于，主要代表是手机电池，主要的材料体系为钴酸锂材料，体现的主要性能要求是安全性和高容量特性。锂电应用和进步的第二个阶段是小型动力电池的诞生和研发应用的推广，主要应用方向为两轮自行车和电动玩具等领域，主要的材料体系为动力型钴酸锂材料和锰酸锂材料体系，主要应用的是锂离子电池的安全性能、倍率性能和容量特性。该阶段锂电的大力推广应用，为动力电池的大规模研发和推广奠定了基础。第三个锂电大爆发阶段是动力电池的研发和应用阶段，该阶段的代表性应用领域是电动汽车、电动轮船、起重设备、电动卡车、储能等应用领域，主要的材料体系是磷酸铁锂和三元系列材料，主要应用的是电池的高安全性、大倍率性、高容量特性和高比能量特性。该阶段的锂电研发和应用，推动了锂离子电池的大规模爆发式增长。目前锂离子电池的研究已经进入到第四个阶段，从技术角度需要提供更高的电池容量、更大的倍率的同时还需要电池具有高比能量特性，以便实现电动汽车上千公里的续航里程需求，同时还需要电池具有长循环寿命，以便实现客户使用成本的下降。基于以上市场需要，固态电池、半固态电池成为市场新的动向，也成为技术研究的新方向。
目前市场上常规的锂离子动力电池主流产品为磷酸铁锂和三元811体系电池。磷酸铁锂电池已经可以实现长达16000次的循环寿命，材料克容量达到165mah/g，基本上能够实现电动汽车的使用要求，但是磷酸铁锂的特性限制了其使用领域的大规模推广，这主要在于磷酸铁锂极片压实达到2.35mah/g左右基本就达到了极限，继续压实将损害电池的倍率性能和容量特性，这样的压实密度很难实现动力汽车的上千公里续航里程的要求。另外继续提高压实密度，在电池加工过程中将造成集流体的严重变形，造成电池制造过程中极片良率的的严重下降，使得制造成本快速上升。
另外在三元系列材料体系中，523、424、111、622、811体系材料比较成熟，但是在汽车动力电池方面的应用，依然不能达到续航一千公里以上的要求，比能量密度仅达到290-320wh/kg。但是电池比能量的进一步提升受制于现有的材料体系以及加工工艺的限制。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种固态电池及其制备方法。
本发明提出的一种固态电池，所述固态电池的电芯包括多个正极极片和多个负极极片，所述正极极片和负极极片从下到上交错层叠设置，且最上层极片、最下层极片均为负极极片；所述电芯相邻的两个极片之间设有固态电解质涂层隔膜，所述极片包括负极极片和正极极片。
优选地，所述固态电池的电芯包括N个正极极片、N+1个负极极片和2N个固态电解质涂层隔膜，其中N＝1-64。
优选地，所述固态电解质涂层隔膜包括下述组分：锂盐、电解液添加剂、聚合物、金属氧化物；所述固态电解质涂层隔膜是由固态电解质隔膜浆料经过涂覆后形成。
优选地，所述锂盐、电解液添加剂、聚合物、金属氧化物的质量比为(40-60)：(30-40)：(20-30)：(20-30)。
优选地，所述固态电解质涂层隔膜的厚度为2.5-3μm。
优选地，所述锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂、氯化锂、碘化锂、硫化锂中的至少一种；所述电解液添加剂为DMC、PC、EC、EMC、DEC、DTD中的至少一种；所述聚合物为PMMA、PEO、PAN、PVDF-HFP中的至少一种；所述金属氧化物为三氧化二铝。
优选地，所述正极极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性涂层。
优选地，所述正极集流体为铝网或者镍网；所述正极集流体的厚度为6-9μm。上述铝网或者镍网材质为电子级，其可以通过对铝箔或者镍箔进行冲压的方式制备。
优选地，所述正极活性涂层包括下述组分：811三元正极材料、石墨烯、导电剂、粘结剂；其中811三元正极材料、石墨烯、粘结剂、导电剂的质量比为(97-97.4)：(0.3-0.7)：(1.8-2)：(0.3-0.5)；
优选地，所述正极活性涂层为双面涂布，双面面密度为414-426g/m2。
优选地，所述负极极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体表面的负极活性涂层。
优选地，所述负极集流体为铜网或者钢网；所述负极集流体的厚度为4.5-9μm。上述铜网或者钢网材质为电子级，其可以通过对铜箔或者钢箔进行冲压的方式制备。
优选地，所述负极活性涂层包括下述组分：负极材料、粘结剂、导电剂；其中负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为(95-95.7)：(2.6-2.7)：(1.7-2.3)。
优选地，所述负极材料由石墨和硅球组成，其中石墨与硅球的质量比为(47-80.7)：(15-48)。
优选地，所述负极活性涂层为双面涂布，双面面密度为162-200g/m2。
一种所述的固态电池的制备方法，包括下述步骤：
S1、将负极极片放置在叠片平台上，在负极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在涂层上放置正极极片，再在正极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在涂层上放置负极极片，按上述方法交替叠放负极极片和正极极片和涂覆隔膜，直至正极极片的层数为N，负极极片的层数为N+1，隔膜的层数为2N，得到电芯；
S2、将所述电芯放置在模具中，进行热压合，然后经过极耳焊接、铝塑膜封装，得到固态电池。
优选地，所述热压合的压力为2.5-4T，温度为60-70℃，时间为3-8min。
在本发明中，固态电池的制备过程在干燥氮气保护的手套箱中完成。
在本发明中，单个固态电池中，每层隔膜的厚度和组分都相同。
本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种多层涂覆方法制备固态电池的方法和该方法制备的固态电池。本方法采用在极片之间涂覆形成固态电解质涂层隔膜的加工方法，一方面，浆料在涂覆过程中可以有效覆盖毛刺，将毛刺包覆于浆料中，从而避免集流体毛刺造成的微短路引起的安全隐患，且该方法不存在极片的裁切和切割过程，冲切后的极片经除尘后，叠片过程中隔膜浆料可以有效包裹痕量粉尘，有效规避了电池加工过程中金属粉尘进入电池内部造成的自放电率大、微短路、短路等安全隐患，有效提高电池的安全性能；另一方面，与传统的锂离子电池隔膜相比，与电池材料的接触更加紧密，锂离子的有效传导率更高，能够改善电池的倍率性能。同时本方法采用高压力压合方式有效提高了电池的比能量密度，提高电动汽车续航里程。
本方法在有效提高电池比能量的同时，有效提高了电池的安全性能，降低了电池的自放电率，提高电池倍率性能的同时有效减小了电池的浓差内阻和电化学内阻。本发明制得的固态电池具有容量大、比能量密度高、自放电小、倍率大、循环寿命长等特点，在确保电池使用性能的同时，降低了电池的制造成本，并提高了电池的安全性能。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
制备正极极片：
按811三元正极材料、石墨烯、粘结剂PVDF、导电剂SP、溶剂NMP的质量比为97.4：0.3：1.8：0.3：65合浆得到正极浆料，然后涂布在6μm的铝网上，烘干后形成正极活性涂层，再经过压片、烘烤、裁切，得到厚度为120-124μm的正极极片；其中，涂布为双面涂布，正极活性涂层的双面面密度为414-426g/m2。
制备负极极片：
按石墨、硅球、粘结剂PVDF、导电剂SP、导电剂KS6、溶剂NMP的质量比为47：48：2.6：1.2：0.5：70合浆得到负极浆料，然后涂布在6μm的铜网上，烘干后形成负极活性涂层，再经过压片、烘烤、裁切，得到厚度为104-112μm的负极极片；其中，涂布为双面涂布，负极活性涂层的双面面密度为162-170g/m2。
制备固态电解质隔膜浆料：
按PMMA：DMC：PC：EC：LiClO4：LiBF4：LiI：LiCl：Al2O3＝43：22：8：2：10：8：2：5：25的质量比，将高氯酸锂、四氟硼酸锂、碘化锂、氯化锂依次加入适量碳酸二甲酯中，混合均匀，然后加入PMMA、Al2O3、EC、PC，混合均匀，得到隔膜浆料，其中隔膜浆料的粘度为1800-3200Pa.s。
制备固态电池：
S1、将负极极片放置在叠片平台上，通过叠片平台上的负压孔将负极极片吸附在叠片平台上，采用刮涂机在负极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在隔膜上放置正极极片，再采用刮涂机在在正极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在隔膜上放置负极极片，按上述方法交替叠放负极极片和正极极片和涂覆隔膜，直至正极极片的层数为64，负极极片的层数为65，隔膜的层数为128，得到电芯；其中，隔膜的厚度为2.5μm；
S2、将上述制得的电芯放置在模具中，进行热压合，其中热压合的压力为3T，压合温度65℃，保压时间为5min；然后经过极耳焊接、铝塑膜封装，得到固态电池。
上述制得的150Ah固态电池，经测试，其体积比能量为840Wh/L、重量比能量为403Wh/L。
采用以上固态电池制成2P114S电池包，系统电压420V，容量300Ah，采用多层压合铝箔带进行串并联连接。将上述电池包安装在总重1.8T的新能源车身上，一次充电续航里程达1000公里以上，电池循环寿命6500次以上。
实施例2
制备正极极片：
按811三元正极材料、石墨烯、粘结剂PVDF、导电剂SP、溶剂NMP的质量比为97.4：0.3：2：0.3：75合浆得到正极浆料，然后涂布在6μm的铝网上，烘干后形成正极活性涂层，再经过压片、烘烤、裁切，得到厚度为126-134μm的正极极片；其中，涂布为双面涂布，正极活性涂层的双面面密度为414-426g/m2。
制备负极极片：
按石墨、硅球、SBR(固含量为50％)、CMC(增稠剂)、导电剂SP、去离子水的质量比为80.7：15：5.4：2.4：2.3：60合浆得到负极浆料，然后涂布在6μm的铜网上，烘干后形成负极活性涂层，再经过压片、烘烤、裁切，得到厚度为118-126μm的负极极片；其中，涂布为双面涂布，负极活性涂层的双面面密度为192-200g/m2。
制备固态电解质隔膜浆料：
按PAN：PVDF-HFP：DMC：PC：EC：LiClO4：LiBF4：LiI：LiCl：Al2O3＝23：20：22：8：2：10：8：2：5：25的质量比，将高氯酸锂、四氟硼酸锂、碘化锂、氯化锂依次加入适量碳酸二甲酯中，混合均匀，然后加入PAN、PVDF-HFP、Al2O3、EC、PC，混合均匀，得到隔膜浆料，其中隔膜浆料的粘度为1800-3200Pa.s。
制备固态电池：
S1、将负极极片放置在叠片平台上，通过叠片平台上的负压孔将负极极片吸附在叠片平台上，采用刮涂机在负极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在隔膜上放置正极极片，再采用刮涂机在在正极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在隔膜上放置负极极片，按上述方法交替叠放负极极片和正极极片和涂覆隔膜，直至正极极片的层数为64，负极极片的层数为65，隔膜的层数为128，得到电芯；其中，隔膜的厚度为2.5μm；
S2、将上述制得的电芯放置在模具中，进行热压合，其中热压合的压力为3T，压合温度65℃，保压时间为5min；然后经过极耳焊接、铝塑膜封装，得到固态电池。
上述制得的150Ah固态电池，经测试，其体积比能量为865Wh/L、重量比能量为413Wh/L。
采用以上固态电池制成2P114S电池包，系统电压420V，容量300Ah，采用多层压合铝箔带进行串并联连接。将上述电池包安装在总重1.6T的新能源车身上，一次充电续航里程达1000公里以上，电池循环寿命6500次以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种固态电池，其特征在于，所述固态电池的电芯包括多个正极极片和多个负极极片，所述正极极片和负极极片从下到上交错层叠设置，且最上层极片、最下层极片均为负极极片；所述电芯相邻的两个极片之间设有固态电解质涂层隔膜。
2.根据权利要求1所述的固态电池，其特征在于，所述固态电池的电芯包括N个正极极片、N+1个负极极片和2N个固态电解质涂层隔膜，其中N＝1-64。
3.根据权利要求1所述的固态电池，其特征在于，所述固态电解质涂层隔膜包括下述组分：锂盐、电解液添加剂、聚合物、金属氧化物；所述固态电解质涂层隔膜是由固态电解质隔膜浆料经过涂覆后形成；
所述锂盐、电解液添加剂、聚合物、金属氧化物的质量比为(40-60)：(30-40)：(20-30)：(20-30)；
所述固态电解质涂层隔膜的厚度为2.5-3μm。
4.根据权利要求3所述的固态电池及其制备方法，其特征在于，所述锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂、氯化锂、碘化锂、硫化锂中的至少一种；所述电解液添加剂为DMC、PC、EC、EMC、DEC、DTD中的至少一种；所述聚合物为PMMA、PEO、PAN、PVDF-HFP中的至少一种；所述金属氧化物为三氧化二铝。
5.根据权利要求1所述的固态电池，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性涂层；
所述正极集流体为铝网或者镍网；所述正极集流体的厚度为6-9μm；
所述正极活性涂层包括下述组分：811三元正极材料、石墨烯、导电剂、粘结剂；其中811三元正极材料、石墨烯、粘结剂、导电剂的质量比为(97-97.4):(0.3-0.7):(1.8-2)：(0.3-0.5)；
所述正极活性涂层为双面涂布，双面面密度为414-426g/m2。
6.根据权利要求1所述的固态电池，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体表面的负极活性涂层；
所述负极集流体为铜网或者钢网；所述负极集流体的厚度为4.5-9μm；
所述负极活性涂层包括下述组分：负极材料、粘结剂、导电剂；其中负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为(95-95.7):(2.6-2.7):(1.7-2.3)；
所述负极活性涂层为双面涂布，双面面密度为162-200g/m2。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的固态电池的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、将负极极片放置在叠片平台上，在负极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在涂层上放置正极极片，再在正极极片的上表面涂覆固态电解质隔膜浆料，形成固态电解质涂层隔膜，然后在涂层上放置负极极片，按上述方法交替叠放负极极片和正极极片和涂覆隔膜，直至正极极片的层数为N，负极极片的层数为N+1，隔膜的层数为2N，得到电芯；
S2、将所述电芯放置在模具中，进行热压合，然后经过极耳焊接、铝塑膜封装，得到固态电池。
8.根据权利要求7所述的固态电池的制备方法，其特征在于，所述热压合的压力为2.5-4T，温度为60-70℃，时间为3-8min。
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| CN202310415238.XA CN116470235A (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 一种固态电池及其制备方法 |
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