具有復(fù)合電極的凝膠電解質(zhì)鋰離子電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種凝膠電解質(zhì)鋰離子電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1990年日本索尼公司推出首款商業(yè)化產(chǎn)品以來，鋰離子電池已成為最為重要的電能源存儲(chǔ)技術(shù)之一。近年來，以電動(dòng)車動(dòng)力電源、可調(diào)配能源存儲(chǔ)器等為代表的電能源存儲(chǔ)器的新興應(yīng)用形式，對(duì)鋰離子電池的儲(chǔ)能密度、倍率特性和安全性提出新的要求。
[0003]目前廣泛應(yīng)用于商業(yè)化產(chǎn)品的傳統(tǒng)的鋰離子電池技術(shù)在上述幾個(gè)方面均存在難以克服的本征局限性。首先，傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)依賴液態(tài)電解質(zhì)在正負(fù)極之間形成鋰離子輸運(yùn)通路，然而，液態(tài)電解質(zhì)易分解、易燃易爆等化學(xué)特性給傳統(tǒng)鋰離子電池帶來了嚴(yán)重的安全隱患。其次，傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)中使用鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、石墨、硅等材料制作電池的固態(tài)電極，鋰離子在上述材料形成的固態(tài)電極中傳輸速率較低，導(dǎo)致鋰離子電池的倍率特性無法滿足新興應(yīng)用中對(duì)于快速充放電的要求。而且，受限于固態(tài)電解質(zhì)中得鋰離子傳輸速率，傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)中往往通過在電池單體中使用較薄的電極(一般50至120 μπι)以縮短鋰離子的輸運(yùn)路徑、在固態(tài)電極中混入粘合劑、導(dǎo)電輔助劑等方式以獲得較好的倍率特性，然而，上述方法使得集流體、輔助劑等非儲(chǔ)能部分在鋰離子電池中占據(jù)了相當(dāng)可觀的重量比，導(dǎo)致鋰離子電池的儲(chǔ)能密度難以提高。此外，固態(tài)電極較低的鋰離子傳輸速率使得部分電極材料可能并未有效發(fā)揮儲(chǔ)能作用。
[0004]傳統(tǒng)的鋰離子電池的示意圖如圖1所示，受限于固態(tài)正極102、固態(tài)負(fù)極104的離子導(dǎo)通率與電導(dǎo)率，固態(tài)正極102、固態(tài)負(fù)極104的厚度一般為50μπι至120μπι，固態(tài)正極102與固態(tài)負(fù)極104之間設(shè)有覆隔膜的電解質(zhì)103。為了獲得較大的電池單體容量，一般采用附圖1所示的疊片方式，往往一個(gè)電池單體中包含十幾片甚至數(shù)十片傳統(tǒng)正極集流體101和傳統(tǒng)負(fù)極集流體105，這對(duì)電池儲(chǔ)能密度的負(fù)面影響極大。
[0005]目前，為了突破現(xiàn)有鋰離子電池技術(shù)的局限性，本領(lǐng)域的研究人員已設(shè)計(jì)了多種具有新結(jié)構(gòu)或使用新材料的新型鋰離子電池，而新結(jié)構(gòu)或新材料的應(yīng)用往往涉及配套開發(fā)的新工藝，鋰離子電池作為一種電能源產(chǎn)品，若無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率、成本可控的規(guī)?；a(chǎn)制造，其實(shí)際價(jià)值就要大打折扣，但是很多新工藝因工藝穩(wěn)定性欠佳、缺少產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制造裝備等原因，難以實(shí)現(xiàn)放大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種使用安全、倍率特性高、電極材料利用率高、儲(chǔ)能密度大、規(guī)?；a(chǎn)成本低且產(chǎn)率高的具有復(fù)合電極的凝膠電解質(zhì)鋰離子電池及其制備方法。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:
[0008]—種具有復(fù)合電極的凝膠電解質(zhì)鋰離子電池，它包括帶有正極端子、負(fù)極端子的電池外殼以及封裝在所述電池外殼內(nèi)的電池單體，所述電池單體包括一個(gè)正負(fù)極單元，所述正負(fù)極單元為層狀結(jié)構(gòu)，并且依次由負(fù)極集流體、復(fù)合負(fù)極層、凝膠電解質(zhì)層、復(fù)合正極層和正極集流體疊合而成，所述復(fù)合正極層是由正極材料粉料和正極用凝膠電解質(zhì)均勻混合而成，所述凝膠電解質(zhì)層是由凝膠電解質(zhì)構(gòu)成的凝膠層，所述復(fù)合負(fù)極層是由負(fù)極材料粉料和負(fù)極用凝膠電解質(zhì)均勻混合而成，所述正極集流體與所述電池外殼上的正極端子電連接，所述負(fù)極集流體與所述電池外殼上的負(fù)極端子電連接。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0010]本發(fā)明產(chǎn)品使用凝膠電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，無需使用隔膜，避免液態(tài)電解質(zhì)的分解、揮發(fā)、燃燒和爆炸等問題，并且有效抑制鋰金屬枝狀晶體的生長(zhǎng)，顯著改善鋰離子電池的安全性；同時(shí)，使用凝膠電解質(zhì)與固態(tài)電極材料形成復(fù)合電極，以凝膠電解質(zhì)在固態(tài)電極內(nèi)部形成便于鋰離子輸運(yùn)的通路，提高鋰離子在電極內(nèi)部的輸運(yùn)速率，而增大電極材料與電解質(zhì)的接觸面積，提高了電極材料與電解質(zhì)中的鋰離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的幾率，從而大大提高了鋰離子電池的倍率特性；具有較高鋰離子傳輸性能的復(fù)合電極中，電極材料有效利用率高，使得在鋰離子電池中可以使用較厚的電極，減少了集流體的使用，并避免了粘合劑、導(dǎo)電輔助劑的使用，大大降低了鋰離子電池中非儲(chǔ)能活性材料的比例，提高了鋰離子電池的儲(chǔ)能密度，只需要包含一個(gè)正負(fù)極單元的電池即可完成各種供電任務(wù)；另外，本發(fā)明產(chǎn)品整體具有撓性，在彎折、卷曲狀態(tài)下仍可正常工作。
[0011 ] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0012]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述復(fù)合正極層、所述復(fù)合負(fù)極層的厚度均為100-10000 μmD
[0013]采用上述優(yōu)選方案的有益效果是:
[0014]因?yàn)檎?、?fù)極集流體在電池中僅僅起電子傳導(dǎo)作用，并不能儲(chǔ)存能量，它們的數(shù)量越少，電池儲(chǔ)能密度越高，電池儲(chǔ)能容量越大，而本發(fā)明中復(fù)合電極中的凝膠電解質(zhì)顯著提高了電極中鋰離子的輸運(yùn)特性，使得復(fù)合電極的厚度在100-10000 μ m的范圍內(nèi)都可以獲得較佳的電池倍率特性和電極材料有效利用率，復(fù)合電極的厚度可以做的很厚，從而大大減少正、負(fù)極集流體的使用數(shù)量，提高電池儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能容量，這樣電池只需要一個(gè)正負(fù)極單元即可完成各種供電任務(wù)。
[0015]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述正極集流體采用厚度為10-100 μm的鋁箔，所述負(fù)極集流體采用厚度為8-100 μπι的銅箔，所述凝膠電解質(zhì)層的厚度為1-200 μπι。
[0016]采用上述優(yōu)選方案的有益效果是:
[0017]采用厚度為10-100 μ m的鋁箔作為正極集流體，采用厚度為8-100 μ m的銅箔作為負(fù)極集流體，以及厚度為1-200 μπι的凝膠電解質(zhì)層既能夠節(jié)約成本，又能夠很好的滿足電池的正常使用，為電池內(nèi)部鋰離子的運(yùn)輸提供更好的條件，使得只包含一個(gè)正負(fù)極單元的電池能夠更好的完成各種供電任務(wù)。
[0018]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述正極材料粉料為一種選自鈷酸鋰、鋰鐵磷酸鹽、尖晶石結(jié)構(gòu)錳酸鋰、鎳鈷錳三元正極材料或鎳鈷鋁三元正極材料的鋰離子電池正極材料的粉料，所述負(fù)極材料粉料為一種選自碳負(fù)極材料、娃基負(fù)極材料、鋰金屬負(fù)極材料、合金類負(fù)極材料、過渡金屬氧化物負(fù)極材料中的鋰離子電池負(fù)極材料的粉料，所述正極材料粉料、所述負(fù)極材料粉料的粒徑為微米級(jí)、亞微米級(jí)或納米級(jí)。
[0019]采用上述優(yōu)選方案的有益效果是:
[0020]鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程；常規(guī)鋰離子電池中使用的正極材料可以為鈷酸鋰、尖晶石結(jié)構(gòu)錳酸鋰、鎳鈷錳三元正極材料、鎳鈷鋁三元正極材料或者以磷酸鐵鋰為代表的聚陰離子結(jié)構(gòu)正極材料等，常規(guī)鋰離子電池中的負(fù)極材料可以為鋰金屬負(fù)極材料、碳基負(fù)極、錫基負(fù)極材料、硅基負(fù)極、以錫合金為代表的合金負(fù)極材料或者以二氧化鉬、二氧化鎢、氧化鎳、二氧化錳過渡金屬氧化物負(fù)極材料等。
[0021]復(fù)合正極層、復(fù)合負(fù)極層是由常規(guī)鋰離子電池中使用的正極材料、負(fù)極材料的粉料和凝膠電解質(zhì)均勾混合而成的，所述正極材料粉料、所述負(fù)極材料粉料的粒徑為微米級(jí)、亞微米級(jí)或納米級(jí)，能夠保證正極材料、負(fù)極材料的粉料和凝膠電解質(zhì)混合得更加均勻，更容易在復(fù)合電極內(nèi)部形成便于鋰離子輸運(yùn)的通路，提高鋰離子在電極內(nèi)部的輸運(yùn)速率，增大電極材料與電解質(zhì)的接觸面積，提高電極材料與電解質(zhì)中的鋰離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的幾率，更大的鋰離子電池的倍率特性和電極材料的有效利用率。
[0022]復(fù)合正極層、復(fù)合負(fù)極層的內(nèi)部，凝膠電解質(zhì)與正極材料粉料、負(fù)極材料粉料的混合，可以是以凝膠電解質(zhì)作為連續(xù)相，而正極材料粉料、負(fù)極材料粉料分別分布于其中；也可以是正極材料粉料、負(fù)極材料粉料分別作為連續(xù)相，而凝膠電解質(zhì)分布于其中；即使正極材料粉料、負(fù)極材料粉料和正、負(fù)極用凝膠電解質(zhì)不具備顯著的連續(xù)相/非連續(xù)相特征，復(fù)合正極、復(fù)合負(fù)極也能夠體現(xiàn)其有益效果，使得只包含一個(gè)正負(fù)極單元的電池能夠更好的完成各種供電任務(wù)，而復(fù)合正極層、復(fù)合負(fù)極層的內(nèi)部如果以凝膠電解質(zhì)為連續(xù)相，且凝膠電解質(zhì)形成的通路彎曲程度較低