[發明專利]全固態鋰離子電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201510518226.5
• 申請日: 2015-08-22
• 公開（公告）號: CN105098227B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 高云智;付傳凱;李琴;張瀚;曹毅
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M10/0525
• 分類號: H01M10/0525;H01M10/0562;H01M10/058
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池的制備工藝，特別是涉及一種全固態鋰離子電池及其利用噴墨打印制備全固態鋰離子電池的工藝。

背景技術

全固態鋰離子電池作為下一代儲能電源，因其具有高的能量密度、良好的機械性能、優異的電化學穩定性以及不易燃的優點而受到越來越多的關注。全固態鋰離子電池的結構與傳統的液體電解質鋰離子電池相似，主要由正負極和固態電解質組成，固態電解質分為無機固態電解質和有機固態電解質，無機固態電解質室溫鋰離子電導率高，低溫性能好，但界面穩定性差；有機固態電解質由聚合物基底和無機鋰鹽構成，高溫下鋰離子電導率較高，不適合低溫下充放電。目前電極/電解質界面問題是固態鋰離子電池發展過程中所面臨的主要問題，兩相界面的接觸程度對電池整體的性能有很大影響。通過在界面處涂覆高導電性的粘結劑或熱壓或整體燒結可以在一定程度上減小界面接觸不良的問題，但工藝較為復雜，不適合規模化生產。

發明內容

本發明的目的是提供一種全固態鋰離子電池及其制備方法，使用噴墨打印方式制備的全固態鋰離子電池具有高的安全性能、大的體積能量密度和質量能量密度以及良好的循環穩定性等優點。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種全固態鋰離子電池，由正極、負極、固態電解質膜層構成，其中：所述正極由正極集流體、正極活性物質、無機納米填料和固態電解質構成，無機納米填料在正極中的摻雜量為5-15wt.%，固態電解質在正極中的摻雜量從靠近正極集流體一側向遠離正極集流體方向呈梯度減小，從正極活性物質/正極集流體接觸界面到正極/固態電解質膜層接觸界面電解質的摻雜量從50wt.%到10wt.%呈梯度減小；所述負極由負極集流體、負極活性物質、無機納米填料和固態電解質構成，無機納米填料在負極中的摻雜量為5-15wt.%，固態電解質在負極中的摻雜量從靠近負極集流體一側向遠離負極集流體方向呈梯度減小，從負極活性物質/負極集流體接觸界面到負極/固態電解質膜層接觸界面電解質的摻雜量從50wt.%到10wt.%呈梯度減小；所述固態電解質膜層由固態電解質和無機納米填料構成，無機納米填料在固態電解質膜層中的含量為10-20wt.%

一種噴墨打印制備上述全固態鋰離子電池的方法，包括以下步驟：

一、將正極活性物質、無機納米填料、負極活性物質和固態電解質分別溶解在溶劑中制備成漿料；

二、使用噴墨打印機將不同組分漿料進行墨盒分裝；

三、由電腦程序設計控制，縱向分級噴墨打印全固態鋰離子電池的正極活性物質、無機納米填料、固態電解質、負極活性物質；

四、采用物理氣相沉積獲得正負極集流體鍍層或將打印結構機械滾壓與集流體結合在一起，制備全固態鋰離子電池。

本發明中，正負極活性物質中摻雜的固態電解質與固態電解質膜層中的電解質材料為同一材料。

本發明中，所得電池結構中除集流體以外所有部分由噴墨打印獲得，各部分緊密接觸，正負極的打印順序可以根據需要進行調整。

本發明中，所得電池結構中不同組分漿料在噴墨打印的過程中分裝在不同的墨盒當中，各組分在縱向上的梯度分布由電腦程序設計控制。

本發明中，采用縱向分級梯度噴墨打印的方式獲得復合正負極材料和固態電解質膜層，其中固態電解質在極片中的摻雜量從靠近集流體一側向遠離集流體方向呈梯度減小，從電極活性物質/集流體接觸界面到電極/電解質膜層接觸界面電解質的摻雜量從50wt.%到10wt.%呈梯度減小，電解質摻雜量的變化梯度根據噴墨打印電極的厚度來確定。

本發明中，所述正極活性物質為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳錳酸鋰、五氧化二釩、鎳鈷錳三元材料中的任意一種；負極活性物質為碳基材料、硅基材料、錫基材料、鈦酸鋰中的任意一種。