[发明专利]一种高容量全固态柔性电池及其一体化集成制备方法

说明书

本发明提供一种高容量全固态柔性电池及其一体化集成制备方法，所述高容量全固态柔性电池为一体化封装的柔性电池，其中高容量全固态柔性电池包括正极、负极、全固态电解质膜和封装层，其组成顺序为“封装层‑‑正极‑‑全固态电解质膜‑‑负极‑‑封装层”。本发明将静电纺丝技术用于柔性锂离子电池的一体化集成工艺，该一体化制备工艺能够实现“封装层‑正极‑电解质膜‑负极”界面的螯合交联，有助于稳定弯曲应力下柔性锂离子电池的整体结构，为解决柔性固态电池在实际应用中的环境适应性和性能可靠性等问题提供了新方案。

技术领域

本发明属于固态电池技术领域，具体涉及一种高容量全固态柔性电池及其一体化集成制备方法。

背景技术

现有刚性电池的安全性能差（易受外力撞击而发生爆炸）、快充性能差、能量密度小、成本高等应用问题日益突出，尤其严重影响了智能设备等的机动性和可适应性，如可穿戴设备、可植入器械等。柔性电池具备更高的环境适应性和抗碰撞性能；其一体化制备可以显著提高材料电子导电率、提高电池的快充性能；柔性电池可不用集流体等辅材，为电池瘦身、提高电池能量密度，同时降低了成本在装备。柔性电池技术涉及到的基础性问题有，第一，反复弯曲过程中电极出现裂缝而导致的活性物质脱落的问题；第二，反复弯曲过程中正负极片之间的空隙是随着弯曲程度不断变化而导致的电池内阻不断升高的问题；第三，封装问题，反复弯曲过程中铝塑膜容易起皱而导致的电极穿刺或者封装处破损漏液等的问题等。上述三大问题已成为制约柔性电池发展的瓶颈，是亟待解决的问题。

现有全固态柔性锂离子电池的正负极材料与普通锂离子电池相同，即锂的化合物为正极材料，石墨或新型纳米材料为负极材料。现有全固态柔性锂离子电池的容量密度不到3 mAh/cm2，仅能代替锌锰一次电池为电子标签等的小型电子设备提供电源，严重限制了其应用。另外，柔性电极的电化学不稳定性是目前制约聚合物锂离子电池发展的主要因素之一，原因包括：（1）常规正负极材料的活性材料多为粉体材料，在粘合剂的作用下通过涂覆工艺与集流体结合，但因其结合强度有限，反复变形过程中容易造成活性材料脱落导致器件的电化学性能恶化；（2）目前集流体多采用柔性纤维或金属箔材质，在弯折过程中电极材料易脱落且弯折后也无法完全恢复；（3）薄膜电极在反复变形过程中机械韧性不足而发生断裂失效；（4）弯折状态下的电极电化学稳定性不够理想。将活性材料附着在柔性骨架（如纸张、纺织布等）上做成的柔性电极有较好的柔韧性和断裂强度，但负载量有限、导电性不佳，导致柔性锂离子电池的比容量有限。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提供一种高容量全固态柔性电池及其一体化集成制备方法，其将静电纺丝技术运用于柔性电池一体化集成，能够解决柔性全固态电池在实际应用中的环境适应性和性能可靠性等问题，推动高容量柔性固态电池的规模化应用。

依据本发明的第一方面，提供一种高容量全固态柔性电池，其特征在于，高容量全固态柔性电池为“正极-电解质-负极-封装层”一体化封装的柔性电池；其中高容量全固态柔性电池包括正极、负极、全固态电解质膜和封装层，其组成顺序为“封装层--正极--全固态电解质膜--负极--封装层”。

优选地，正极是一种含有正极材料的碳纤维薄层，负极是一种石墨化的碳纤薄层。全固态电解质膜把正极和负极隔开，避免正负极之间存在电子传输，起到传导锂离子的作用，全固态电解质膜是一种聚合物和锂盐构成的复合纤薄层。或者全固态电解质膜是聚合物、锂盐或填料的复合纤维薄层。

优选地，封装层为基于PDMS的致密纤维薄层。

依据本发明的第二方面，提供一种制备高容量全固态柔性电池的一体化集成制备方法，所述方法包括以下步骤。

步骤1，电池柔性正极的制备。

步骤2，电池柔性负极的制备。

步骤3，全固态柔性电解质膜的制备。

步骤4，正极-固态电解质膜-负极的热压。