[發明專利]全固態電池及其制備方法

在審

• 申請號: 201980084230.1
• 申請日: 2019-12-06
• 公開（公告）號: CN113196544A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 南相哲;文志雄;宋定勳
• 申請（專利權）人: 浦項產業科學研究院
• 主分類號: H01M10/0585
• 分類號: H01M10/0585;H01M10/0562;H01M4/131;H01M4/136;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 辛雪花;周艷玲

本發明涉及一種全固態電池及其制備方法。本發明的一實施例的全固態電池包括：正極，位于正極集電體上；負極，位于負極集電體上；及固態電解質層，位于正極和負極之間，正極包括正極活性物質及固態電解質，正極活性物質及固態電解質的濃度具有從接近所述正極集電體的一側到接近所述固態電解質層的一側，所述正極活性物質相對于所述固態電解質的濃度下降的階梯式濃度梯度。

技術領域

本發明涉及一種全固態電池及其制備方法。更為具體地，涉及一種正極具有階梯式濃度梯度的全固態電池及其制備方法。

背景技術

隨著無線移動(Wireless mobile)時代的成熟，電源裝置比任何時候都很重要。尤其，鋰離子電池的單位體積的能量密度明顯高于其他電池系統，因此在大部分電子設備等中得到應用，并且擺脫小型，其應用范圍擴展到汽車及儲能裝置。但是，由于以往的鋰離子電池基本上使用液態電解質，持續產生爆炸及起火的安全問題，為解決這種問題，正在進行很多研究，而且積極進行改善安全性的各種研究，比如在隔膜上涂覆陶瓷、包括添加劑的難燃性電解質等，但實際情況是至今仍未找到從根本上解決該問題的方法。一般對于使用氧化物類正極活性物質的鋰離子電池來說，當正極過充電或電池短路等原因而電池溫度瞬間上升時，正極活性物質被分解而產生氧，此時用作電解質的有機溶劑會起火而引起膨脹(swelling)、爆炸或火災。從2004年到2011年為止已有報告17起以上這種安全事故，最近甚至安裝于電動汽車和航空器內部的電池組也引起火災，安全問題比任何時候更有增加。關于這種安全問題，隨著鋰離子電池容量的中大型化，有必要采取用于確保穩定性的根本措施。

在解決上述問題的方法中，最近最受關注的一種方法是，將相當于燃料(fuel)的有機電解質換成固態電解質，以從根本上避免爆炸或起火。當使用固態電解質時，1)可以阻斷爆炸或起火的根本原因來解決安全問題；2)由于電勢窗口較寬，可以再使用4.5V以上的高電壓正極，并且可以將金屬鋰用作負極材料，隨之與當前鋰離子電池相比理論能量密度可以增加至2～3倍；3)此外，在制備工藝中還可以省略當前LiB抽氣(degassing)工藝，可提高工藝收率，而且通過簡化可實現成本節約。

根據使用的固態電解質種類，全固態電池可分為氧化物類和硫化物類兩大類，氧化物類再可根據制備工藝分為薄膜型和體型。氧化物類全固態電池因其離子電導率較低和界面電阻(interfacial resistance)較高的問題，當前僅依據氧化物類材料本身難以實現商業化，為解決這一問題，少量浸漬有氧化物類固態電解質、高分子材料及液態電解質的準(pseudo)全固態電池將有發展前景。這種全固態電池當直接采用以往的使用液態電解質的鋰離子電池的正極板及負極板，并將隔膜改為固態電解質層時，若極板厚度較薄，電解液向極板之間的滲透并沒有太大問題，但若極板厚度較厚，電解液難以滲透到極板底部，具有很難實現電池容量的缺點。為解決這一問題，在制備極板時就包括固態電解質來制備極板，并在極板上部涂覆固態電解質層，并對其進行固化而構成電池。此時，若增加活性物質含量，則會增加極板電阻，容量減少較嚴重，因此通過增加固態電解質含量來克服這種問題，此時通常包括約60％左右含量的活性物質，而由于固態電解質占據其余部分，與以往的鋰離子電池相比，存在每單位面積容量大幅下降的缺點，而且在制備工藝中也以均勻組成形式制備。

因此，需要一種能夠解決這種以往全固態電池的高電阻產生及低容量問題的方法。

發明內容

本發明提供一種全固態電池及其制備方法。更加具體地，提供一種正極具有階梯式濃度梯度的全固態電池及其制備方法。

本發明的一實施例的全固態電池包括：正極，位于正極集電體上；負極，位于負極集電體上；及固態電解質層，位于正極和負極之間，正極包括正極活性物質及固態電解質，正極活性物質及固態電解質的濃度具有從接近正極集電體的一側到接近固態電解質層的一側，正極活性物質相對于固態電解質的濃度下降的階梯式濃度梯度。

關于階梯式濃度梯度，從接近正極集電體的一側到接近固態電解質層的一側，正極活性物質的濃度可按5～15wt％恒定且階梯性地下降。