全固态电池的复合负极制造技术

本申请提供一种全固态电池的复合负极。该复合负极包括：负极集电体；以及负极活性物质层，形成在负极集电体上，负极活性物质层包括隔开间隔布置的单元电池，单元电池包括固体电解质和分散在固体电解质中的碳材料。

【技术实现步骤摘要】
全固态电池的复合负极
本专利技术涉及一种全固态电池的复合负极。
技术介绍
可充电和放电的二次电池不仅用于诸如移动电话和笔记本电脑的小型电子设备，而且还用于诸如混合动力车辆和电动车辆的大型交通运输装置。因此，需要开发具有更高稳定性和能量密度的二次电池。常规的二次电池大多数被配置为使用有机溶剂(有机液体电解质)来形成电池，因此在提高稳定性和能量密度方面受到限制。同时，使用无机固体电解质的全固态电池由于不包括有机溶剂，可以以更安全和更简单的形式来制造电池，因此最近受到广泛的关注。然而，全固态电池的问题在于其能量密度和功率输出性能不能达到使用液体电解质的常规锂离子电池的能量密度和功率输出性能。为了解决上述问题，正在进行对改善全固态电池的电极的深入研究。特别地，全固态电池的负极主要由石墨形成。在这种情况下，当与石墨一起添加过量的具有高比重的固体电解质时，才能确保离子电导率，因此与锂离子电池相比，每单位重量的能量密度非常低。此外，当将锂金属用作负极时，在价格竞争力和大面积实施方面存在技术限制。
技术实现思路
因此，考虑现有技术中遇到的问题而提出本专利技术的实施例，并且其具体特征如下。本专利技术涉及一种全固态电池的复合负极。特定实施例涉及一种复合负极的负极活性物质层包括隔开预定间隔布置的单元电池从而使得在全固态电池充电时析出的锂存储在该间隔中的全固态电池的复合负极。本专利技术的实施例提供了一种全固态电池的复合负极及全固态电池，其可以表现出可充电和放电的二次电池的固有功能并且其体积和重量最小化。本专利技术的另一实施例提供了一种全固态电池，在充电时在负极均匀地析出锂，从而提高了耐久性。本专利技术的又一实施例提供一种全固态电池，在放电时在负极没有残留死锂。本专利技术的实施例不限于前述内容，并且将能够通过以下的描述而清楚地理解，并且将通过权利要求中描述的手段及其组合来实现。本专利技术的实施例提供一种全固态电池的复合负极，包括：负极集电体；以及负极活性物质层，形成在负极集电体上，负极活性物质层包括隔开预定间隔布置的多个单元电池，单元电池包括固体电解质和分散在固体电解质中的碳材料。单元电池可以形成为随机阵列结构或m×n阵列结构，m×n阵列结构沿横向方向布置m个单元电池并且沿纵向方向布置n个单元电池从而形成总共m×n个单元电池(其中m和n独立地为等于或大于1的自然数)。在全固态电池的充电时，锂可以在单元电池之间的间隔中析出。单元电池可以满足以下等式1，[等式1]5≤A/B≤2000其中，A是当单元电池的平面截面形状是四边形时该四边形的一边的长度，B是单元电池的高度。单元电池可以满足以下等式2，[等式2]0.05≤A/C≤40其中，A是当单元电池的平面截面形状是四边形时该四边形的一边的长度，C是单元电池之间的间隔的长度。单元电池的平面截面形状可以是四边形，并且该四边形的一边的长度A可以为500μm至20000μm。单元电池的高度B可以为10μm至100μm。单元电池之间的间隔的长度C可以为500μm至10000μm。固体电解质可以包括硫化物基固体电解质。固体电解质的全部或一部分可以通过碳材料电连接。碳材料可以选自包括碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、气相生长碳纤维(VGCF)及其组合的组。碳材料的平均长度可以为1μm至300μm，并且平均直径可以为1nm至100nm。单元电池中包括的碳材料和固体电解质的质量比可以为2:8至8:2。单元电池可以进一步包括分散在固体电解质中的金属颗粒。金属颗粒可以选自包括锂(Li)、铟(In)、金(Au)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)、铁(Fe)、锡(Sn)、钛(Ti)及其组合的组。金属颗粒的粒径(D50)可以为0.1μm至150μm。金属颗粒可以具有选自包括球形、椭圆形、多面体形及其组合的组中的至少一种形状。单元电池中包括的金属颗粒和固体电解质的质量比为0.05:9.95至2:8。单元电池的孔隙率可以为0.1％至70％。本专利技术的另一实施例提供一种全固态电池，包括上述复合负极、正极和设置在复合负极与正极之间的固体电解质层。根据本专利技术的实施例，可以将全固态电池的复合负极的负极活性物质层配置为包括隔开预定间隔布置的多个单元电池，使得在全固态电池的充电时析出的锂均匀地存储在间隔中，从而防止了枝晶生长。根据本专利技术的实施例，在全固态电池的复合负极中没有残留的死锂，从而进一步提高全固态电池的耐久性。根据本专利技术的实施例，构成全固态电池的复合负极的负极活性物质层的单元电池包括碳材料和固体电解质，并且单元电池具有预定比率的孔隙率，因此，即使在没有负极活性物质的情况下也可以实现相同的负极功能，从而使负极的体积和重量最小化。根据本专利技术的实施例，由于复合负极不包含石墨，因此在充电和放电时不发生负极体积膨胀，从而大大增加全固态电池的寿命。根据本专利技术的实施例，全固态电池的每单位重量的能量密度和每单位体积的能量密度可以显著增加。本专利技术的实施例的效果不限于上述内容，并且应被理解为包括可以从以下描述中合理预期的所有效果。附图说明图1是示意性地示出常规的全固态电池的截面图；图2是示意性地示出根据本专利技术的实施例的全固态电池的截面图；图3是示意性地示出根据本专利技术的实施例的全固态电池的复合负极的截面图；图4是示出多个单元电池隔开间隔布置的负极活性物质层的平面图；图5是示出多个单元电池隔开间隔布置的负极活性物质层的立体图；图6A示出充电完成的根据本专利技术的实施例的全固态电池；图6B示出放电开始时的根据本专利技术的实施例的全固态电池；图6C示出放电进行到一定程度时的根据本专利技术的实施例的全固态电池；图6D示出放电完成的根据本专利技术的实施例的全固态电池；图7是示出根据本专利技术的实施例的单元电池及单元电池之间的间隔的参照图；图8是示出根据本专利技术的实施例的单元电池的一部分的放大图；图9A示出在试验例1中用肉眼观察到的比较例1的复合负极；图9B示出在试验例1中用扫描电子显微镜(SEM)分析的比较例1的复合负极；图10A示出在试验例1中用肉眼观察到的实施例的复合负极；图10B示出在试验例1中用SEM分析的实施例的复合负极；以及图11示出实施例、比较例1和比较例2的全固态电池在重复充电和放电的同时车辆容量保持率的结果。具体实施方式通过以下结合附图的优选实施例，将更清楚地理解本专利技术的上述和其它目的、特征和优点。然而，本专利技术不限于本文中所公开的实施例，而是可以修改为不同的形式。提供这些实施例是为了透彻地解释本专利技术并将本专利技术的思想充分地传递给本领域技术人员。在整个附图中，相同的附图标记将指代相同或相似的元件。为了使本专利技术的实施例清楚，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全固态电池的复合负极，包括：/n负极集电体；以及/n负极活性物质层，形成在所述负极集电体上，/n所述负极活性物质层包括隔开预定间隔布置的多个单元电池，/n所述单元电池包括固体电解质和分散在所述固体电解质中的碳材料。/n

【技术特征摘要】
20190710 KR 10-2019-00830861.一种全固态电池的复合负极，包括：
负极集电体；以及
负极活性物质层，形成在所述负极集电体上，
所述负极活性物质层包括隔开预定间隔布置的多个单元电池，
所述单元电池包括固体电解质和分散在所述固体电解质中的碳材料。


2.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述单元电池形成为随机阵列结构或m×n阵列结构，
所述m×n阵列结构沿横向方向布置m个所述单元电池并且沿纵向方向布置n个所述单元电池从而形成总共m×n个所述单元电池，其中m和n独立地为等于或大于1的自然数。


3.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
在充电时，锂在所述单元电池之间的所述间隔中析出。


4.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述单元电池满足等式5≤A/B≤2000，
其中，A是当所述单元电池的平面截面形状是四边形时所述四边形的一边的长度，B是所述单元电池的高度。


5.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述单元电池满足等式0.05≤A/C≤40，
其中，A是当所述单元电池的平面截面形状是四边形时所述四边形的一边的长度，C是所述单元电池之间的所述间隔的长度。


6.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述单元电池的平面截面形状是四边形，并且所述四边形的一边的长度为500μm至20000μm。


7.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述单元电池的高度为10μm至100μm。


8.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述单元电池之间的所述间隔的长度为500μm至10000μm。


9.根据权利要求1所述的复合负极，其中，
所述固体电解质包括硫化物基固体电解质。


10.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林栽敏，崔容硕，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR