CN212365998U - 一种锂固态电池的电极构造 - Google Patents

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张国兴
王娟
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Abstract

本实用新型公开了一种锂固态电池的电极构造，包括电极极片，电极极片包括正极极片和负极极片，正极极片和负极极片均包含集流体，集流体上涂覆有电极材料，电极材料有一种电活性材料制成，集流体上设置有至少一个穿孔，穿孔贯穿设置于集流体上，相邻两个正极极片和负极极片之间设置有固态电解质，相比现有技术，集流体的重量占比降低；增加集流体表面活性物质负载量，有利于单体能量密度的提升；电活性材料和集流体间的附着力增加；增强固态电池的电解质在各个方向的离子传递能力，提升离子在电解质中的迁移效率，增加迁移过程可选择的路径，提高不同充放电倍率下的充放电效率；能够在大倍率充放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。

Description

一种锂固态电池的电极构造
技术领域
本实用新型涉及固态电池构造领域，具体涉及一种锂固态电池的电极构造。
背景技术
能源是人类生存与经济发展的物质基础，当前世界能源消费以化石能源为主，然而，化石能源的不可再生性及其快速消耗所带来的巨大环境问题使得新能源的开发与存储成为了世界各国的科技发展的战略方向。随着电子设备的日益增多，在能源存储的问题上，就会对电池的质量和性能有着更高的要求。锂离子电池因其起质量轻、比能量/比功率高、寿命长等特点被视为最具竞争力的电化学储能装置之一。但是，现在商用的锂离子电池在短路情况发生时释放大量的热量，会引燃有机电解液，产生爆炸的隐患，显然难以广泛使用。即使是目前被认为最安全的特斯拉汽车，使用了复杂的电池管理系统和防护措施，仍在问世的几年内发生多次着火爆炸事故。此外，有机电解液还存在的问题如：电化学窗口有限，难以兼容金属锂负极和其他高电势正极材料；锂离子并非唯一的载流子，在大电流通过时，电池内阻会因浓差极化进而电池性能下降；工作温度有限（安全工作温度0-40℃）；与负极材料发生反应生成SEI膜，造成二种材料持续消耗，使电池容量不断下降等。在锂离子电池的研究进展中，以凝胶聚合物电解质制备凝胶聚合物电池和以固态电解质制备固态电池，有望从根本上解决上述问题。它能显著提高液体锂离子电池面临的安全性能，易于加工成各种形状的薄膜，进而制成超薄、形状各异的电池，以适应电子产品的微型化、薄膜化、轻型化的发展。
穿孔结构以规律或不规律的排列组合方式排布在集流体上，这种穿孔结构，能够增强电化学储能装置中的电解质在各个方向的离子传递能力，通过上述的穿孔结合涂布在集流体的电极材料，增加集流体表面活性物质负载量，提高单体电池能量密度，同时可以提高不同充放电倍率下的充放电效率，能够在大倍率充放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。
发明内容
为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种易于加工，重量轻，功率密度好的锂固态电池的电极构造。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
一种固态电池的电极构造，包括电极极片，其特征在于，所述电极极片包括正极极片和负极极片，所述正极极片和负极极片均包含集流体，所述集流体上涂覆有电极材料，所述电极材料有一种电活性材料制成，所述集流体上设置有至少一个穿孔，所述穿孔贯穿设置于集流体上，相邻两个所述正极极片和负极极片之间设置有固态电解质。
优选地，前述集流体由金属或非金属材料制成，所述集流体设置为箔片结构或网状结构。
再优选地，前述当集流体上设置多个穿孔时，所述穿孔以规律或不规律的排列组合方式排布。
更优选地，前述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂制成，所述负极材料包括负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂制成。
进一步优选地，前述正极活性物质包括NCA、NCM、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锂、钴酸锂和镍酸锂，所述正极粘结剂为PVDF。
具体地，前述负极性物质包括锂金属或含锂合金、石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、钛酸锂、硅基材料、锡基材料和金属氧化物，所述负极导电剂包括活性炭、乙炔黑，所述负极粘结剂包括SBR、CMC、PVDF。
再优选地，前述所述正极导电剂和负极导电剂的材质相同，所述正极导电剂包括活性炭、乙炔黑、导电炭黑、石墨烯、碳纳米管和科琴黑。
更优选地，前述固态电解质由聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质其中的一种或多种复合电解质组成，所述聚合物电解质包括PEO及其衍生物体系、聚碳酸酯基体系、聚硅氧烷基体系、聚合物锂单离子导体基体系，所述氧化物电解质包括石榴石型固态电解质、钙钛矿型、NASICON型、反钙钛矿型Li3–2xMxHaIO固态电解质和LiPON薄膜固态电解质，所述硫化物电解质包括thio-LISICON、Li10 GeP2S12 (LGPS)，LiSnPS、LiSiPS、 Li2S–SiS2、Li2S–P2S5和 Li2S–B2S2。
本实用新型的有益之处在于：通过电极构造的穿孔结构，可以获得以下的优点和功效，(1)、集流体的重量占比降低；(2)、增加集流体表面活性物质负载量，有利于单体能量密度的提升；(3)、电活性材料和集流体间的附着力增加；(4)集流体的柔软度提高：(5)、增强固态电池的电解质在各个方向的离子传递能力，离子在电解质中的迁移的效率提升，迁移过程可选择的路径增加，可以提高不同充放电倍率下的充放电效率；以及通过上述的穿孔结合涂布在集流体的电极材料能够在大倍率充放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。
附图说明
图1是本实用新型的带穿孔的集流体的结构示意图；
图2是本实用新型的结构示意图；
图3是本实用新型的制造方法的步骤流程图；
图4是本实用新型的一种应用示意图；
图5是本实用新型的另一种应用示意图。
图中附图标记的含义：1、集流体，2、穿孔，3、电极材料，4、固态电解质。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
图1是本实用新型的带穿孔2的集流体1的结构示意图，一种固态电池的电极构造，包括电极极片，所述电极极片包括正极极片和负极极片，所述正极极片和负极极片均包含集流体1，集流体1由金属或非金属材料制成，所述集流体1设置为箔片结构或网状结构，所述集流体1上设置有至少一个穿孔2，当集流体1上设置多个穿孔2时，所述穿孔2以规律或不规律的排列组合方式排布，所述穿孔2贯穿设置于集流体1上，穿孔2有助于电化学反应过程中的电解质在各个方向的离子传递能力，可以提高不同充电和放电速率下的充电和放电效率;以及涂布于集流体1的表面的电极材料3。
图2是本实用新型的结构示意图，本实用新型的电极构造基本上可作为固态电池的阳极或阴极，所述集流体1上涂覆有电极材料3，所述电极材料为一种电活性材料，用以在电化学反应的过程作为充电和放电的电流电路。
固态电池可以由正极极片、负极极片和位于两者之间的固态电解质4构成；正极极片可以由正极集流体1(例如，铝箔)和涂布在集流体1表面上的正极材料组成；负极极片可以由负极集流体1(例如，铜箔)和涂布在集流体1表面上的负极材料组成，正负极极片均通过浆料在集流体上涂布干燥辊压工艺制备而来。
电极材料3包括正极材料和负极材料，所述正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂制成，正极活性物质包括NCA(镍钴铝三元材料)、NCM(镍钴锰三元材料)、锰酸锂(LiMn2O4 )、磷酸铁锂(LiFePO4 )、镍钴锂(LiNiCOO2 )、钴酸锂（LiCoO2）和镍酸锂（LiNiO2），所述正极粘结剂为PVDF(聚偏氟乙烯)。
所述负极材料包括负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂制成，负极活性物质包括锂金属或含锂合金、石墨、MCMB、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、钛酸锂、硅基材料、锡基材料和金属氧化物，所述负极粘结剂包括SBR、CMC、PVDF、聚丙烯酸酯、聚酰亚胺。
所述正极导电剂和负极导电剂的材质相同，所述正极导电剂包括活性炭、乙炔黑、导电炭黑、石墨烯、碳纳米管和科琴黑。
固态电解质4由聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质其中的一种或多种复合电解质组成，所述聚合物电解质包括PEO及其衍生物体系、聚碳酸酯基体系、聚硅氧烷基体系、聚合物锂单离子导体基体系，所述氧化物电解质包括石榴石型固态电解质、钙钛矿型、NASICON型、反钙钛矿型Li3–2xMxHaIO固态电解质和LiPON薄膜固态电解质，所述硫化物电解质包括thio-LISICON、Li10 GeP2S12 (LGPS)，LiSnPS、LiSiPS、 Li2S–SiS2、Li2S–P2S5和Li2S–B2S2。
固态电解质不仅包括全固态电解质，对于准固态电解质，凝胶电解质，复合电解质等其他类似形式的固态电池，也亦在专利的保护范围内。
本实用新型提出的电极构造的固态电池，适合应用于电动车辆，小型卫星、便携电子设备、空间技术、国防工业、无线电源供应和其它的电力储存系统。
图3是本实用新型的制造方法的步骤流程图；制作方法为：准备一集流体1；在集流体1上通过打孔工艺形成穿孔2，准备正极材料或负极材料，将正极材料或负极材料均匀涂覆于带有穿孔2的集流体1上，通过干燥处理使集流体1表面形成均匀的涂覆结构，正极极片或负极极片制备完成。
图4是本实用新型的一种应用示意图，如图所示，本实用新型提出的电极构造以层叠的方式组装成层叠结构，在相邻的正极极片和负极极片之间由固态电解质4分隔开，避免短路，多层叠片完成后，使用铝塑膜或者硬壳包装电芯，无需注入电解液，直接封装为固态锂离子电池。
根据图5，本实用新型电极构造也可以应用于柱状封装形式的固态电池，将正极极片、负极极片、固态电解质4隔开避免短路，正极极片、固态电解质以及负极极片三层通过卷绕制备出圆形或者方形的电芯。使用铝塑膜或者硬壳包装电芯，无需注入电解液，直接封装为固态锂离子电池。
本实用新型的有益之处在于：通过电极构造的穿孔2结构，可以获得以下的优点和功效，(1)、集流体1的重量占比降低；(2)、增加集流体1表面活性物质负载量，有利于单体能量密度的提升；(3)、电活性材料和集流体1间的附着力增加；(4)、集流体1的柔软度提高：(5)、增强固态电池的电解质在各个方向的离子传递能力，离子在电解质中的迁移的效率提升，迁移过程可选择的路径增加，可以提高不同充放电倍率下的充放电效率；以及通过上述的穿孔2结合涂布在集流体1的电极材料3能够在大倍率充放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种锂固态电池的电极构造，包括电极极片，其特征在于，所述电极极片包括正极极片和负极极片，所述正极极片和负极极片均包含集流体，所述集流体上涂覆有电极材料，所述电极材料有一种电活性材料制成，所述集流体上设置有至少一个穿孔，所述穿孔贯穿设置于集流体上，相邻两个所述正极极片和负极极片之间设置有固态电解质。
2.根据权利要求1所述的一种锂固态电池的电极构造，其特征在于，所述集流体由金属或非金属材料制成，所述集流体设置为箔片结构或网状结构。
3.根据权利要求1所述的一种锂固态电池的电极构造，其特征在于，当集流体上设置多个穿孔时，所述穿孔以规律或不规律的排列组合方式排布。
4.根据权利要求1所述的一种锂固态电池的电极构造，其特征在于，所述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂制成。
5.根据权利要求4所述的一种锂固态电池的电极构造，其特征在于，所述正极活性物质包括NCA、NCM、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锂、钴酸锂或镍酸锂，所述正极粘结剂为PVDF。
6.根据权利要求4所述的一种锂固态电池的电极构造，其特征在于，所述正极导电剂包括活性炭、乙炔黑、导电炭黑、石墨烯、碳纳米管或科琴黑。
7.根据权利要求1所述的一种锂固态电池的电极构造，其特征在于，所述固态电解质由聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质其中的一种或多种复合电解质组成，所述聚合物电解质包括PEO及其衍生物体系、聚碳酸酯基体系、聚硅氧烷基体系、聚合物锂单离子导体基体系，所述氧化物电解质包括石榴石型固态电解质、钙钛矿型、NASICON型、反钙钛矿型Li3–2xMxHaIO固态电解质或LiPON薄膜固态电解质，所述硫化物电解质包括thio-LISICON、Li10 GeP2S12(LGPS)，LiSnPS、LiSiPS、Li2S–SiS2、Li2S–P2S5或Li2S–B2S2。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112768701A (zh) * 2021-01-21 2021-05-07 广东海洋大学 一种复合正极极片和可充电固态电池

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