[發(fā)明專利]一種具有梯度結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310674203.4
• 申請(qǐng)日: 2013-12-11
• 公開（公告）號(hào): CN103746089A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉晉;賈明;李劼;林月;程昀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/13
• 分類號(hào): H01M4/13;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 魏娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有梯度結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池及其制備方法，屬于固體電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在能源危機(jī)與環(huán)境保護(hù)的雙重趨勢(shì)的背景下，發(fā)展新能源汽車，如電動(dòng)車輛(EV)、混合動(dòng)力車輛(HEV)和插電式混合電動(dòng)車(PHEV)，已成為迫切需求。而電池作為新能源汽車的儲(chǔ)能裝置，已成為新能源汽車的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

相比于液態(tài)電解質(zhì)電池，全固態(tài)電池在提高電池能量密度、拓寬工作溫度區(qū)間、延長(zhǎng)使用壽命方面也有較大的發(fā)展空間。進(jìn)入21世紀(jì)以來，多元化已成為二次電池領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在拓寬電池應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，人們也越來越重視對(duì)電池進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，以改善電池的性能和溫度適應(yīng)性。

不同于液態(tài)電池，全固態(tài)電池的電解質(zhì)與電極相容性差，電池的大倍率放電性能差。電解質(zhì)對(duì)電極的浸潤(rùn)性是電化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)處，是電子與離子“相會(huì)”通道暢通的重要保障，而電極界面處的低阻抗是決定電池性能的關(guān)鍵。對(duì)于固/液電極界面來講，不存在多大問題，但對(duì)于固/?固界面，由于固體電解質(zhì)沒有液體電解液的浸潤(rùn)性，以固體電解質(zhì)制成的固體電池，其界面阻抗一般也比本體阻抗大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，從電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮電極與電解質(zhì)的接觸變得極為重要。

另一方面，若電池電極層在三維上由均勻的電解質(zhì)和電極材料組成，那么在電池放電過程中，正電極活性材料層中的電解質(zhì)中的鋰離子快速被吸入電極活性材料顆粒中，電極活性材料層中電解質(zhì)的鋰離子濃度的降低通過鋰離子從電解質(zhì)層中擴(kuò)散來補(bǔ)充。同時(shí)，集電極的電子借助導(dǎo)電材料來傳導(dǎo)，從而促進(jìn)電極反應(yīng)。而鋰離子從電解質(zhì)層擴(kuò)散到電極材料層的速度相對(duì)于電子的傳導(dǎo)是緩慢的。在高速充放電下，正電極材料層的鋰離子趨于耗盡，隨著向集電極的方向，這種趨勢(shì)增加。鋰離子的擴(kuò)散趕不上電極反應(yīng)的速率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的過電壓，電池?zé)o法提供理論的充放電容量，電池的快速充放電性能下降。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中電池電極層主要是電解質(zhì)和電極材料濃度均勻分布，存在在大電流速率下充電或放電過程中Li離子易耗盡，導(dǎo)致充電或放電容量的電池性能降低的缺陷，而具有這種電極層的全固態(tài)鋰電池，電極與電解質(zhì)的接觸容易變差，界面阻抗很大，電池?zé)o法大倍率充放電，本發(fā)明的目的是在于提供一種在大倍率充放電穩(wěn)定，大電流速率下能正常工作的具有梯度結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供一種過程簡(jiǎn)單，低成本制備所述具有梯度結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池的方法。

本發(fā)明提供了一種具有梯度結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池，該全固態(tài)鋰電池，由具有梯度結(jié)構(gòu)層的正極、固體電解質(zhì)層、和金屬負(fù)極或者具有梯度結(jié)構(gòu)層的負(fù)極組成；所述的梯度結(jié)構(gòu)層為組分濃度呈梯度連續(xù)變化的電極層、組分粒度呈梯度連續(xù)變化的電極層或組分分子量呈梯度連續(xù)變化的電極層。

所述的梯度是指數(shù)值的大小呈連續(xù)變化，可以是數(shù)值由小到大或者由大到小的連續(xù)變化。

所述的組分濃度呈梯度連續(xù)變化的電極層優(yōu)選為電極材料在電極層中的質(zhì)量百分比濃度形成從集電極到電解質(zhì)層方向逐步降低的電極層。

所述的組分粒度呈梯度連續(xù)變化的電極層優(yōu)選為電極活性材料的粒度在電極層中形成從集電極到電解質(zhì)層方向逐步增大的電極層。

所述的組分分子量呈梯度連續(xù)變化的電極層優(yōu)選為高分子電解質(zhì)的分子量在電極層中形成從集電極到電解質(zhì)層方向逐步增大的電極層。

所述的組分濃度呈梯度連續(xù)變化的電極層至少包含兩個(gè)不同濃度組分的膜層；優(yōu)選為至少包含三個(gè)不同濃度組分的膜層；最優(yōu)選為至少包含五個(gè)不同濃度組分的膜層。

所述的組分粒度呈梯度連續(xù)變化的電極層至少包含兩個(gè)不同粒度組分的膜層；優(yōu)選為至少包含三個(gè)不同粒度組分的膜層；最優(yōu)選為至少包含五個(gè)不同粒度組分的膜層。

所述的組分分子量呈梯度連續(xù)變化的電極層至少包含兩個(gè)不同分子量組分的膜層；優(yōu)選為至少包含三個(gè)不同分子量組分的膜層；最優(yōu)選為至少包含五個(gè)不同分子量組分的膜層。

所述的膜層的厚度為1～100μm。

所述的電解質(zhì)層厚度為1～30μm。