固体电解质和正极材料一体化的电池正极及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种固体电解质和正极材料一体化的电池正极及其制备和应用，该电池正极包含：正极集流体，涂覆在正极集流体上的正极材料层，涂覆在正极材料层上的多孔材料层，以及填充在多孔材料层内的固体电解质；其中，多孔材料层的材料是由聚偏氟乙烯和聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
固体电解质和正极材料一体化的电池正极及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及一种电池正极，具体涉及一种固体电解质和正极材料一体化的电池正极及其制备和应用。

技术介绍

[0002]目前商用锂电池通常使用液体电解质，在使用过程中可能会产生锂枝晶刺穿隔膜造成短路等隐患。另外，液态电解质也容易在电池壳体破损后发生泄漏，其中的有机溶剂在高温下极易起火和爆炸。
[0003]全固态电池用固体电解质与电极装配，具有更强的安全性，固体电解质优越的机械性能可有效抵抗外部压力和锂枝晶穿透。此外，全固态电池可降低对电池辅助组件的要求，有效降低电池厚度和体积，以提高能量密度。此外，固体电解质具有优异的电化学稳定性、机械性能，可与各种电极材料相匹配。因此，开发高性能固体电解质是储能元件发展的重要方向。
[0004]当前，阻碍全固态电池应用的一大难题是固体电解质与电极的界面接触问题。液体电解质由于其有机溶剂良好的浸润能力可以构建正负极之间畅通的离子迁移路径，但是固体电解质与电极之间是固
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固接触，有效接触面积不足，严重阻碍了离子迁移，导致电池内阻过大，电池性能不理想。
[0005]目前，解决固体电解质与电极接触问题的方法有：电极颗粒表面改性；在电极制备过程中加入具有离子传输能力的粘结剂；在固体电解质与电极界面处添加少量液体电解质或离子液体。但是，这些方法具有不确定性，并没有真正解决固体电解质的界面问题，在工业生产中难以大规模应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种固体电解质和正极材料一体化的电池正极及其制备和应用，解决了现有固体电解质与电极有效接触面积不足从而严重阻碍了离子迁移的问题，显著降低电解质与电极之间的接触电阻，使组装所得的全固态电池具有优异的电化学性能，表现出了优异的倍率与循环性能。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种固体电解质和正极材料一体化的电池正极，该电池正极包含：正极集流体，涂覆在正极集流体上的正极材料层，涂覆在正极材料层上的多孔材料层，以及填充在多孔材料层内的固体电解质；其中，所述多孔材料层的材料是由聚偏氟乙烯和聚偏氟乙烯
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六氟丙烯交联形成的多孔材料；所述固体电解质包含：聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、丁二腈和锂盐；或聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、丁二腈、甲基丙烯酸三氟乙酯和锂盐；其中，锂盐选自双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸锂和六氟磷酸锂中任意一种或两种以上；所述聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、甲基丙烯酸三氟乙酯和锂盐的质量比为1：0.16～0.18：0～0.1：0.1～3.5；所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂和丁二腈的质量比为1：0.2～0.9。
[0008]优选地，所述聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、甲基丙烯酸三氟乙酯和锂盐的质量比为1：0.16～0.18：0～0.1：0.5～3.28。更优选地，所述聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、甲基丙烯酸三氟乙酯和锂盐的质量比为1：0.16～0.18：0～0.1：1.3～3.28。
[0009]优选地，所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂和丁二腈的质量比为1：0.25～0.875。
[0010]优选地，所述正极材料层的材料包含：正极材料活性物质、导电剂和粘结剂。
[0011]优选地，所述正极材料活性物质选自磷酸铁锂、钴酸锂或锰酸锂；所述导电剂选自科琴黑；所述粘结剂选自海藻酸钠。
[0012]优选地，所述正极材料层的厚度为5～100μm；所述多孔材料层的厚度为5～100μm。
[0013]优选地，所述正极材料层中活性物质的负载量为0.5～10mg/cm2。
[0014]优选地，所述正极集流体选用铝箔或碳纸。
[0015]本专利技术的另一目的是提供所述的电池正极的制备方法，该方法包含：将正极材料涂覆在正极集流体上，去除正极材料中的溶剂，在正极集流体上制备得到正极材料层；将聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯
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六氟丙烯和造孔剂于N
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甲基吡咯烷酮中，得到溶液A；其中，所述造孔剂能够溶于乙醇或水；将溶液A涂覆在正极材料层上，使表面延流平整，干燥，在乙醇或水中浸泡，使造孔剂溶解，形成具有由聚偏氟乙烯和聚偏氟乙烯
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六氟丙烯交联的多孔材料层的正极片；将正极片浸泡于电解质溶液中，去除电解质溶液中的溶剂，使电解质溶液的溶质填充到多孔材料层的孔隙内，然后将正极片暴露于紫外光灯下照射，得到固体电解质和正极材料一体化的电池正极。
[0016]优选地，在乙醇或水中浸泡的时间为3～6h。
[0017]优选地，所述紫外光灯的功率为100～2000W，紫外光灯照射的时间为40～1200s。当紫外线照射时间不足时会导致反应不完全；如果紫外灯功率很大，照射时间长，会烤焦聚合物；当采用较大功率照射时，需要减少照射时间。具体地，当紫外光灯的功率为2000W时，紫外光灯照射的时间为40～80s；当紫外光灯的功率为100W时，紫外光灯照射的时间为1000～1200s。
[0018]优选地，所述正极材料包含：正极材料活性物质、导电剂和粘结剂，其中，所述粘结剂不溶于N
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甲基吡咯烷酮。
[0019]本专利技术的另一目的是提供所述的电池正极在全固态电池中的应用。
[0020]本专利技术的固体电解质和正极材料一体化的电池正极及其制备和应用，解决了现有固体电解质与电极有效接触面积不足从而严重阻碍了离子迁移的问题，具有以下优点：
[0021]本专利技术的固体电解质和正极材料一体化的电池正极，在电极上构建多孔骨架并填充入固体电解质前驱体，通过引发单体聚合使固体电解质能够很好地润湿电极颗粒，从而显著降低电解质与电极之间的接触电阻，使组装所得的全固态电池具有优异的电化学性能，表现出了优异的倍率与循环性能。
[0022]而且，双三氟甲烷磺酰亚胺锂和丁二腈的质量比不同时会影响制备的电极的电化学性能，丁二腈含量对电池性能影响比较大。
[0023]本专利技术的固体电解质和正极材料一体化的电池正极，采用造孔剂PVP制作多孔膜，做出的膜致密，电化学性能好。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例1制备的固体电解质和正极材料一体化的电池正极的扫描电镜图。
[0025]图2为本专利技术实施例1制备的固体电解质和正极材料一体化的电池正极的电极倍率性能测试图。
[0026]图3为本专利技术实施例1制备的固体电解质和正极材料一体化的电池正极的电极循环性能测试图。
[0027]图4为本专利技术实施例2制备的电池正极与锂片组装成的电池在25℃、0.1C电流下的充放电曲线。
[0028]图5为本专利技术实施例3制备的电池正极与锂片组装成的电池在25℃、0.1C和0.5C电流下的充放电曲线。
[0029]图6为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体电解质和正极材料一体化的电池正极，其特征在于，该电池正极包含：正极集流体，涂覆在正极集流体上的正极材料层，涂覆在正极材料层上的多孔材料层，以及填充在多孔材料层内的固体电解质；其中，所述多孔材料层的材料是由聚偏氟乙烯和聚偏氟乙烯
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六氟丙烯交联形成的多孔材料；所述固体电解质包含：聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、丁二腈和锂盐；或聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、丁二腈、甲基丙烯酸三氟乙酯和锂盐；其中，锂盐选自双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸锂和六氟磷酸锂中任意一种或两种以上；所述聚乙二醇二丙烯酸酯、四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、甲基丙烯酸三氟乙酯和锂盐的质量比为1：0.16～0.18：0～0.1：0.1～3.5；所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂和丁二腈的质量比为1：0.2～0.9。2.根据权利要求1所述的电池正极，其特征在于，所述正极材料层的材料包含：正极材料活性物质、导电剂和粘结剂。3.根据权利要求2所述的电池正极，其特征在于，所述正极材料活性物质选自磷酸铁锂、钴酸锂或锰酸锂；所述导电剂选自科琴黑；所述粘结剂选自海藻酸钠。4.根据权利要求1所述的电池正极，其特征在于，所述正极材料层的厚度为5～100μm；所述多孔材料层的厚度为5～100μm。5.根据权利要求1所述的电池正极...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴振国，原嘉良，郭孝东，钟本和，宋扬，陈彦逍，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：