[發明專利]一種無界面疊層半固態電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202310206419.1
• 申請日: 2023-02-27
• 公開（公告）號: CN116315140A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 黃耀博;張海源;張天任;黃碧英
• 申請（專利權）人: 天能電池集團股份有限公司
• 主分類號: H01M10/0587
• 分類號: H01M10/0587;H01M10/0565;H01M4/62;H01M50/426
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 沈金龍

本發明公開了一種無界面疊層半固態電池及其制備方法。本發明在電解液注入之前，通過在陰極電極、陽極電極和隔膜上使用熔融溫度相同的粘結劑材料，該方法能夠在相同的熔融溫度下對材料進行熱壓，將結構融合在一起形成扁平層壓板并形成無界面的電池。盡管電池組件完全融合，但該方法允許在每個電池組件的混合材料中加入增塑劑，從而在結構內注入電解質。在提取增塑劑后，增塑劑所在的位置就形成了空隙，該方法可以用電解液填充剩余的孔隙，從而形成無界面的半固態電池。

技術領域

本發明屬于二次電池技術領域，具體涉及一種無界面疊層半固態電池及其制備方法。

背景技術

電解質是鋰離子電池的重要組成部分。其將所需的鋰離子從陰極運送到陽極，還通過形成固體電解質界面來保護陰極和陽極免受降解，這些面可以使電極免受不利的電極-電極或電極-電解質反應的影響。目前行業主要使用液體電解質，因為它們具有靈活的界面、高離子電導率以及通過添加劑易于定制。然而，盡管液體電解質得到了發展，但其在電池中的使用限制了鋰離子電池的容量、安全性和熱效率。由于液體電解質需要使用粘合劑和隔膜，從而總體上降低了液體電解質電池的能量密度。此外，通常由有機分子制成的液體電解質是易燃的。在低溫下，液體電解質逐漸凍結，降低離子電導率，從而導致陽極鍍層。然而，在較高的溫度下，液體電解質會蒸發并產生高阻抗氣泡。

由于液體電解質的這些局限性，固體電解質作為一種潛在的替代品越來越受到研究人員的關注。與液體電解質相比，固體電解質通過減少電池質量和增加電化學窗口來實現更高的電池能量密度，不易燃，在溫度范圍內更穩定，并且在極端溫度或壓力下不會泄漏。然而，現有的固態電池技術還不夠成熟，無法實現產業化。現有的制備方法或是未經優化，生產電極和電解質之間具有高界面阻抗的固態電池(因此具有較差的倍率和循環性能)，或是使用現有鋰離子電池生產線中目前不常見的材料。

作為折中方案，半固態電池利用液體電解質和固體電解質同時形成凝膠。這使得所得電池既具有高的離子導電性，又在大范圍內具有熱穩定性，并具有良好的安全特性。此外，半固態電池可以使用現有的鋰離子電池生產線機器和設備生產，從而在現有的科研機構和大型鋰離子電池公司中具有良好的經濟可行性。凝膠電解質主要通過原位聚合制備，其中將單體、增塑劑、鋰鹽、交聯劑和引發劑化合物混合并注入電池中。其中，在施加熱量后，電解質固化成凝膠。利用此類方法的現有技術要么導致不均勻的聚合和氣泡的產生，這增加了電池阻抗并降低了第一循環效率，要么導致固體電解質界面的不完全形成(這降低了循環壽命性能)。這是因為電解質均勻分散所需的熱量也會引發原位聚合。

除了注射和加熱之外，還有利用原位聚合的其它技術。一些技術可能會在組裝電池之前初始化原位聚合。這可以通過在膜上涂上電解質材料以形成電解質膜來完成。該膜在膜的兩側可能具有不同的化合物。不幸的是，這些多層復合膜不僅具有復雜的程序，而且為了制造它們，必須將膜涂覆在電池外以形成膜，然后粘在電極上。這導致電極-電解質界面接觸不良且阻抗高，最終降低電池性能。試圖解決這個問題的是將反應單體混合到陰極和陽極中，然后注入交聯劑和引發劑進行原位聚合。然而，該解決方案仍然不能解決不均勻的聚合和氣泡的產生。

制造低阻抗的半固態電池的解決方案是制造電極和電解質之間沒有界面、均勻聚合且不會產生氣泡的電池。此外，考慮到目前的鋰電池行業，如現有的生產線、設備和供應鏈，原位聚合的液體注入版本是最簡單、最方便的制備電池的方法，同時也最大限度地降低了額外成本，促進了半固態電池的發展。然而，目前對原位聚合的研究更多地集中在材料的理論結構和聚合反應上，而很少關注實際的半固態電池產業化，如液體注入。對于擴展此類方法時出現的問題，例如高界面阻抗、聚合不均勻、電池穩定性差和首次循環效率低等問題，也很少有解決方案。