CN103730684B - 一种高安全性全固态锂离子电池及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高安全性全固态锂离子电池，包括固态电解质、正极片以及负极片，所述正极片与所述负极片相互叠合设置，相邻所述正极片与所述负极片之间设置有所述固态电解质；所述固态电解质由Li1+aAaSibO4（A为Al、Mn、Ni、Ti中的一种，1＜a＜2，b≤2）、粘结剂、溶剂按照t:h:(1-t-h)混合而成，其中t为30%-55%，h为5%-17%；用不燃的固态电解质代替原来可燃电解液及隔膜，有效降低了电池起火的风险。固态电解质为浆料状态时，进行电池装配，可以保证固态电解质与极片的良好接触，减小离子扩散阻抗。本发明中还公开了上述高安全性全固态锂离子电池的生产方法。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种高安全性全固态锂离子电池以及一种高安全性全固态锂离子电池及其生产方法。
背景技术
锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。
现有锂电池基大多使用有机溶剂作为离子传输的媒介，成本高，而且这些有机溶剂是可燃的，这对于锂电池的安全来说是致命的。目前已经有机构研究了固态锂电池，试图取代可燃的液体锂电池。
但是现有技术中的全固态锂离子电池由于结构设计、及加工工艺制定不够合理导致其使用寿命受到影响且仍然存在安全隐患，并且生产难度大，造成制造成本增加。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高安全性全固态锂离子电池，其能够避免传统液体电解质的锂离子电池存在的成本高的缺陷，并且具有更高的安全性。
本发明的另一个目的在于：提供一种高安全性全固态锂离子电池的生产方法，固态电解质为浆料状态时，进行电池装配，可以保证固态电解质与极片的良好接触，提高电池性能。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高安全性全固态锂离子电池，包括固态电解质、正极片以及负极片，所述正极片与所述负极片相互叠合设置，相邻所述正极片与所述负极片之间设置有所述固态电解质；
所述固态电解质由Li1+aAaSibO4（A为Al、Mn、Ni、Ti中的一种，1＜a＜2，b≤2）、粘结剂、溶剂按照t:h:(1-t-h)混合而成，其中t为30%—55%，h为5%—17%。
作为一种优选的技术方案，所述正极片包括正极集流体以及涂覆于所述正极集流体表面的正极涂层；所述负极片包括负极集流体以及涂覆于所述负极集流体表面的负极涂层。
作为一种优选的技术方案，所述正极涂层由正极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂的混合物组成，其中所述正极活性物质为锂锰氧化物与硫锂化物的混合物；
所述负极涂层由负极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂的混合物组成，其中所述负极活性物质为碳化物。
作为一种优选的技术方案，所述正极活性物质、导电剂、粘接剂以及所述溶剂按照U：V：(1-U-V-W)：W的比例配制而成，其中U＞0.46、V＞0.08、W＞0.35；所述负极活性物质、导电剂、粘接剂以及所述溶剂按照x：y：(1-X-Y-Z)：Z的比例配制而成，其中X＞0.46、Y＞0.08、Z＞0.35。
作为一种优选的技术方案，所述高安全性全固态锂离子电池包括若干层相互交错叠合设置的正极片与负极片，所述正极片与所述负极片数量相同，每层所述正极片与所述负极片之间以及所述若干层相互叠合的正极片与负极片外部均设置有所述固态电解质。
一种如上所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，包括以下步骤：
步骤S10、正极浆料以及负极浆料的配制：
配置用于作为正极涂层的正极浆料以及作为负极涂层的负极浆料；
步骤S20、制作正极片、负极片：
提供正极集流体以及负极集流体，将所述正极浆料涂覆于所述正极集流体表面形成所述正极片，将所述负极浆料涂覆于所述负极集流体表面形成所述负极片；
步骤S30、配制作为固态电解质层的固态电解质浆料；
步骤S40、固态电解质浆料涂覆：
将制备好的正极片、负极片放入固态电解质浆料中浸润，使所述正极片与所述负极片表面均匀覆盖有所述固态电解质浆料后取出；
采用正极片与负极片交错设置的方式对浸润过固态电解质浆料的正极片与负极片进行堆叠形成极片叠层；
步骤S50、烘干：对极片叠层进行烘干处理；
步骤S60、电池装配：
将所述极片叠层进行绝缘包装，装入电池壳并进行封装，制成固态锂离子电池。
作为一种优选的技术方案，在所述步骤S20之后执行步骤S21、对所述正极片与所述负极片进行干燥处理，完成干燥后进行挤压，并将所述正极片与所述负极片分切成规定尺寸。
作为一种优选的技术方案，步骤S40中，所述电解质浆料层的厚度应保证固态电解质凝固干燥后相邻的正极片与负极片之间的间距为40±10μm。
作为一种优选的技术方案，步骤S60中所述电池壳采用不锈钢材料制成，所述封装采用负压封装工艺。
作为一种优选的技术方案，在所述步骤S60后执行步骤S70、检测：将成品电池放置于测试柜中进行充放电测试，筛选出合格的成品电池。
本发明的有益效果为：本高安全性固态锂电池的安全性相比传统液体电解质锂电池有了极大的改善，例如易燃性，目前锂电池由于锂的活泼性，仅能使用有机溶剂外加锂盐作为电解液，而有机溶剂在在气化后极易点燃，造成电池起火。用不燃的固态电解质代替原来可燃电解液及隔膜，有效降低了电池起火的风险。
固态电解质为浆料状态时，进行电池装配，可以保证固态电解质与极片的良好接触，减小离子扩散阻抗，有效降低成品电池的阻抗。避免了隔膜褶皱导致的电池局部充放电不均的现象。
本发明描述的电解质浆料凝固后，热变形率几乎为零，因此也避免了隔膜热收缩导致的电池内短路的安全问题。同时由于粘结剂的适量使用，该固态电解质层保留了一定的韧性，允许一定程度的弯曲，保证了电池的振动安全性，并不会像某些固态电解质层那样脆。
本发明的固态电解质层与电极活性物质有效接触，接触面并无类似SEI那样的电解质界面膜，避免像有SEI膜的锂电池在高温下，SEI分解导致电池热失控而引发进一步的安全问题。电池整体的耐高温能力增强。同时避免形成SEI膜对电池容量的不可逆损失，节约成本。
在没有类似SEI膜这样的界面膜后，电池内部充放电产物相对稳定，电池整体耐过充过放性能有较大提升。
电池极芯采用叠片式装配，步骤简单，相比传统的大型卷绕机，节约大量的财力。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本实施例所述高安全性全固态锂离子电池示结构意图。
图2为本实施例所述正极片结构示意图。
图3为本实施例所述负极片结构示意图。
图4为本实施例所述高安全性全固态锂离子电池放电曲线图。
图中：
1、正极片；11、正极集流体；12、正极涂层；2、负极片；21、负极集流体；22、负极涂层；3、固态电解质。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1～3所示，于本实施例中，本发明所述的高安全性全固态锂离子电池，包括两组由正极片1与负极片2叠合而成的极片组，相邻的正极片1与负极片2之间设置有固体电解质3，且两组极片组之间以及两组极片组的整体周部均设置有固态电解质3。
其中固态电解质3由Li2.5Ti1.5SiO4、粘结剂、溶剂按照0.3:0.05:0.65的比例混合而成。
当然固态电解质3并不局限于上述分子式所示材料，其可以为由Li1+aAaSibO4（A为Al、Mn、Ni、Ti中的一种，1＜a＜2，b≤2）、粘结剂、溶剂按照t:h:(1-t-h)混合而成，其中t为30%—55%，h为5%—17%，固态电解质采用上述材料及比例配制而成即适用于本发明。
正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11表面的正极涂层12；负极片2包括负极集流体21以及涂覆于负极集流体21表面的负极涂层22。
正极涂层12由正极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂的混合物组成，其中正极活性物质为锂锰氧化物（Li1-xMn2O4）与硫锂化物（含有S、Li）的混合物；
负极涂层22由负极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂的混合物组成，其中负极活性物质为碳化物。
于本实施例中正极涂层12由正极活性物质、导电剂、粘接剂以及溶剂按照0.47：0.9：0.18：0.36的比例配置而成；负极涂层22由负极活性物质、导电剂、粘接剂以及溶剂按照0.47：1.0：0.17：0.36的比例配置而成。
在其它实施例中正极涂层12中正极活性物质、导电剂、粘接剂以及溶剂还可以按照其它比例混合而成，只要其满足U：V：(1-U-V-W)：W的比例配制，且其中U＞0.46、V＞0.08、W＞0.35即可；负极涂层22中负极活性物质、导电剂、粘接剂以及溶剂同样可以按照其它比例混合而成，且同样只要满足按照x：y：(1-X-Y-Z)：Z的比例配制，且其中X＞0.46、Y＞0.08、Z＞0.35的比例配置而成即可。
两组极片组整体外部设置有电池壳，电池壳采用不锈钢材料制成，通过负压封装工艺进行封装。
如上所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，包括以下步骤：
步骤S10、正极浆料以及负极浆料的配制：
配置用于作为正极涂层12的正极浆料以及作为负极涂层22的负极浆料；
步骤S20、制作正极片1、负极片2：
提供正极集流体11以及负极集流体21，将正极浆料涂覆于正极集流体11表面形成正极片1，将负极浆料涂覆于负极集流体21表面形成负极片2；
步骤S21、对正极片1与负极片2进行干燥处理，完成干燥后进行挤压，并将正极片1与负极片2分切成规定尺寸。
步骤S30、配制作为固态电解质3层的固态电解质浆料；
步骤S40、固态电解质浆料涂覆：
将制备好的正极片1、负极片2放入固态电解质浆料中浸润，使正极片1与负极片2表面均匀覆盖有固态电解质浆料后取出；
采用正极片1与负极片2交错设置的方式对浸润过固态电解质浆料的正极片1与负极片2进行堆叠形成极片叠层；
步骤S40中，电解质浆料层的厚度应保证固态电解质凝固干燥后相邻的正极片1与负极片2之间的间距为40±10μm；
步骤S50、烘干：对极片叠层进行烘干处理；
步骤S60、电池装配：将极片叠层进行绝缘包装，装入电池壳并进行封装，制成固态锂离子电池；电池壳采用不锈钢材料制成，封装采用负压封装工艺。
步骤S70、检测：将成品电池放置于测试柜中进行充放电测试，筛选出合格的成品电池。
如图4所示为本发明所述高安全性全固态锂离子电池在4.1～2.9V之间放电，放电曲图。从曲线可以看出，电池放电没有明显的极化发生，电池平台正常，基本保持了原体系材料的电化学特性。因此可以认定本发明中，将电解液及隔膜采用固态电解质取代后，维持原体系电性能的同时，电池安全性能得到了较明显的改善。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高安全性全固态锂离子电池，其特征在于,包括固态电解质、正极片以及负极片，所述高安全性全固态锂离子电池包括若干层相互交错叠合设置的正极片与负极片，所述正极片与所述负极片数量相同，每层所述正极片与所述负极片之间以及所述若干层相互叠合的正极片与负极片外部均设置有所述固态电解质；
所述固态电解质由Li1+aAaSibO4(A为Al、Mn、Ni、Ti中的一种，1＜a＜2，b≤2)、粘结剂、溶剂按照t:h:(1-t-h)混合而成，其中t为30％—55％，h为5％—17％。
2.根据权利要求1所述的高安全性全固态锂离子电池，其特征在于，所述正极片包括正极集流体以及涂覆于所述正极集流体表面的正极涂层；所述负极片包括负极集流体以及涂覆于所述负极集流体表面的负极涂层。
3.根据权利要求2所述的高安全性全固态锂离子电池，其特征在于，所述正极涂层由正极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂的混合物组成，其中所述正极活性物质为锂锰氧化物与硫锂化物的混合物；
所述负极涂层由负极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂的混合物组成，其中所述负极活性物质为碳化物。
4.根据权利要求3所述的高安全性全固态锂离子电池，其特征在于，所述正极活性物质、导电剂、粘接剂以及所述溶剂按照U：V：(1-U-V-W)：W的比例配制而成，其中U＞0.46、V＞0.08、W＞0.35；所述负极活性物质、导电剂、粘接剂以及所述溶剂按照x：y：(1-X-Y-Z)：Z的比例配制而成，其中X＞0.46、Y＞0.08、Z＞0.35。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、正极浆料以及负极浆料的配制：
配置用于作为正极涂层的正极浆料以及作为负极涂层的负极浆料；
步骤S20、制作正极片、负极片：
提供正极集流体以及负极集流体，将所述正极浆料涂覆于所述正极集流体表面形成所述正极片，将所述负极浆料涂覆于所述负极集流体表面形成所述负极片；
步骤S30、配制作为固态电解质层的固态电解质浆料；
步骤S40、固态电解质浆料涂覆：
将制备好的正极片、负极片放入固态电解质浆料中浸润，使所述正极片与所述负极片表面均匀覆盖有所述固态电解质浆料后取出；
采用正极片与负极片交错设置的方式对浸润过固态电解质浆料的正极片与负极片进行堆叠形成极片叠层；
步骤S50、烘干：对极片叠层进行烘干处理；
步骤S60、电池装配：
将所述极片叠层进行绝缘包装，装入电池壳并进行封装，制成固态锂离子电池。
6.根据权利要求5所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，其特征在于，在所述步骤S20之后执行步骤S21、对所述正极片与所述负极片进行干燥处理，完成干燥后进行挤压，并将所述正极片与所述负极片分切成规定尺寸。
7.根据权利要求6所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，其特征在于，步骤S40中，所述电解质浆料层的厚度应保证固态电解质凝固干燥后相邻的正极片与负极片之间的间距为40±10μm。
8.根据权利要求7所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，其特征在于，步骤S60中所述电池壳采用不锈钢材料制成，所述封装采用负压封装工艺。
9.根据权利要求8所述的高安全性全固态锂离子电池的生产方法，其特征在于，在所述步骤S60后执行步骤S70、检测：将成品电池放置于测试柜中进行充放电测试，筛选出合格的成品电池。
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