[发明专利]制备固态电解质薄膜的方法、制备全固态电池的方法以及全固态电池

说明书

本发明提供了用于制备全固态锂离子电池用固态电解质薄膜的方法，其包括以下步骤：a)提供可导电基底膜，该基底膜可涂覆有阳极膜或阴极膜，b)在所述基底和/或所述预先形成的阳极膜或阴极膜上，通过电泳由电解质材料颗粒的悬浮液沉积形成电解质薄膜，c)干燥由此获得的膜，d)通过机械压缩和/或热处理对前述步骤中获得的膜进行固结。所述的方法能够制备用于全固态锂离子电池的电解质薄膜，该薄膜没有缺陷或孔，并且该薄膜能够覆盖三维表面以及避免内部短路或自放电的风险。本发明还提供了利用上述方法制备全固态电池的方法以及所制得的全固态电池。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言涉及锂离子电池领域。最具体而言，其涉及全固态锂离子电池，特别是涉及用于这种电池的固态电解质薄膜的新的制造方法。

背景技术

用于向独立的电子设备(例如电话和膝上型轻便电脑、便携式工具、独立的传感器)供电或用于牵引电动汽车的理想的电池应当具有长的寿命，能够储存大量的能量和电量，并且不存在任何过热或爆炸的风险。

目前，这些电子设备主要是由锂离子电池(本文称为Li-ion电池)供电，在所提出的多种储存技术中，这种电池具有最好的能量密度。但是，可以采用不同的工艺制备锂离子电池，以及制备具有不同化学组成的电极的锂离子电池

很多论文和专利中都记载了制备锂离子电池的方法，“Advances in Lithium-IonBatteries”(W.Van Schalkwijk和B.Scrosati著，Kluever Academic/Plenum Publishers出版)一书中给出了这些方法的详细目录。

可以采用涂覆技术(例如采用诸如辊式涂布、刮涂、流延成型等技术)来制备锂离子电池的电极。这些技术可以用于制备介于50至400μm厚的沉积物。所述电池的电量和能量可以通过改变沉积物的厚度、孔隙率和活性颗粒的尺寸加以调整。沉积在电极上的油墨(或糊状物)包含活性物质的颗粒，还包含粘合剂(有机的)、碳粉(使得颗粒之间发生电接触)和溶剂(在电极干燥步骤中蒸发掉)。

对所述电池进行压延成型步骤以提高颗粒之间电接触的质量并且使所述沉积物变得致密。经过该压缩步骤，电极中活性颗粒通常占约60体积％，这意味着在颗粒之间通常存在40％的空隙，其中填充有电解质。该电解质在颗粒间传递锂离子(在电极厚度范围内分散锂)。液体(其中溶解有锂盐的疏质子性溶剂)或浸渍有锂盐的聚合物的形式可能是相当不利的。油墨制剂中所用的粘合剂也有助于锂离子的传递。

这些电池还包括位于阴极和阳极之间的隔离物。其为约20μm厚的多孔聚合物膜。在最后组装电池的过程中，当将阴极和阳极与介于它们之间的隔离物堆叠或卷绕在一起时，加入电解质。所述电解质迁移至隔离物和电极所含的孔中，从而在两个电极之间提供离子导电。

电池的电量和能量会随着沉积物的厚度、以及油墨中所含的活性颗粒的尺寸和密度的变化而变化。采用这些工艺，能量密度的增加必然会损害功率密度。高能电池需要具有小直径颗粒的薄电极，而增加能量密度需要增加其厚度。

此外，当尝试制备高能电池时，应当提高隔离膜的孔隙度从而降低锂离子在两个电极之间传递的阻力。但是，由于金属锂会沉积在这些孔中，因此，这种孔隙度的增加往往会加大电池内部短路的风险。相似地，如果电极颗粒过小，其会从电极上脱离并迁移到这些孔中。

在高电势和/或高温和过度潮湿的情况下，基于有机溶剂和锂盐的电解质往往会更快地氧化。当电池被暴露在温和的外部环境中，这种劣化(老化)可能是缓慢的和连续的，但是其可能在过热或过载的情况下变快和突然发生。随后，这种电解质的蒸发和氧化可能会诱发剧烈的反应，从而导致电池爆炸。