一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法技术

本发明专利技术属于电化学储能电池技术领域，具体涉及一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法。将包括熔盐电解质的正极浆料、包括溶剂水的负极浆料分别通过螺杆挤压成膜，并将形成的各膜分别与集流体热辊压复合，并冲切成正极单元片和负极单元片，将固体电解质通过螺杆挤出并挤压成膜后冲切成固体电解质膜单元片，组装即获得由半干法分片式无隔膜全固态锂电池。本发明专利技术工艺即保证了浆料均匀性和成膜性的同时，又大幅度降低了有毒有害溶剂使用；同时采用固体电解质膜分片工艺，避免了常规叠片存在边缘部分开裂的问题，在进一步降低电池生产成本的同时，电池的能量密度、循环性能、大倍率充放电及安全性能得到提升。充放电及安全性能得到提升。

【技术实现步骤摘要】
一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法


[0001]本专利技术属于电化学储能电池
，具体涉及一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法。

技术介绍

[0002]近年来，新能源作为国家战略性新兴产业得到快速发展。作为新能源产业的重要支撑和辅助技术，电化学储能器件成为全球研究与开发热点，新型电化学储能器件正朝着高比能量、高安全、长循环寿命、低成本方向发展。近年来，采用固体电解质的固态锂电池是新一代高性能锂电池的关键技术方向之一，它具有明显的高比能量、高安全、长寿命等诸多显著优势，在电力、交通、工业、通信、建筑、军事等领域广泛应用的重要基础，也是实现碳达峰、碳中和目标的关键支撑之一。
[0003]目前，固态锂电池还没有真正形成商业化市场规模，除电池存在的本体问题如电极活性材料结构稳定性、固固界面电子转移与离子传导等需要解决之外，固态锂电池的生产工艺也是限制其发展的重要因素。
[0004]（1）在电极片生产工艺方面，现有传统工艺中正极一般是将正极干粉，包括正极活性物质干粉、粘结剂干粉、导电剂干粉分散于正极溶剂中，正极溶剂占浆料总重量比达~40%，大量使用的正极溶剂N
‑
甲基吡咯烷酮给环保带来巨大压力，同时使用的溶剂越多，回收消耗电能越大。如果不使用溶剂，采用纯干法工艺，有两种途径：
①
在高温下（300℃以上）将粘结剂干粉（如聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等）熔融与正极活性物质干粉和导电剂干粉混合挤出，这会带来两个不利的结果：高温下正极材料结构变化和在挤出时由于流动性太差根本无法成膜；
②
如果采用高速热风将粘结剂干粉纤丝化再与正极活性物质干粉和导电剂干粉混合，那么由于正极干粉之间的密度差别太大，容易造成混合物不均匀。因此如果能将正极溶剂省去不用，同时不牺牲浆料的均匀性和成膜性，将会是一个经济、高效的方案。经反复研究发现，采用含有氰基官能团的固体材料作为共熔溶剂，当与金属锂盐材料混合时，会产生良好的互溶性，形成液态的熔盐电解质，可以替代正极溶剂，由此溶剂回收成本和生产成本大幅度降低。同时含有氰基官能团的固体材料作为一类电位窗口高、不易燃、闪点高、液程宽和不易产气等的溶剂体系，可以大幅度提升电池安全性。另外，对于负极，即使是水性体系浆料也需要消耗能源和时间来干燥，降低负极浆料中水的比重，同样有意义。
[0005]（2）在固体电解质膜与电极之间的组合工艺方面，一般来讲，固体电解质通常有聚合物固体电解质、无机固体电解质两种。
①
对于聚合物固体电解质，通常是将聚合物溶于有机溶剂中，与锂盐一起涂覆在骨架隔膜上，再置于正极和负极之间使用，工艺复杂且仍然需要隔膜材料，且单纯的聚合物固体电解质室温离子电导率低（~10
‑6S/cm），应用于固态锂电池时，电池的倍率性能差（＜0.1C），且需要高温（~60℃）运行；采用不饱和键的小分子单体和引发剂的原位聚合工艺，同样需要隔膜材料作为骨架支撑体；
②
对于无机固体电解质，其成膜性更差，即使成膜，也会存在脆性高，机械性能差等问题；
③
将聚合物固体电解质与无机固体电解质复合既可以解决成膜性问题，同时可以提升离子电导率（＞10
‑4S/cm），但采用
“
Z”字型叠片工艺时，复合电解质膜在极片边缘部分的连接存在开裂的问题。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供了一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用技术方案为：一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，将包括熔盐电解质的正极浆料、包括溶剂水的负极浆料分别通过螺杆挤压成膜，并将形成的各膜分别与集流体热辊压复合，并冲切成正极单元片和负极单元片，将固体电解质通过螺杆挤出并挤压成膜后冲切成固体电解质膜单元片，按照负极单元片//固体电解质膜单元片//正极单元片的重复单元型式叠片，即获得由半干法分片式无隔膜全固态锂电池。
[0008]具体为：（1）正极浆料膜制备：将正极干粉充分混合均匀，置于双螺杆挤出机中，通过口字型挤出口，挤出呈膜状的正极浆料膜；其中，正极干粉按重量比计，正极活性物质干粉、粘结剂干粉、导电剂干粉、熔盐电解质为(85~95) : (1~5) : (1~5) : (0.5~3)；（2）负极浆料膜制备：将负极干粉置于双螺杆挤出机中，再加入负极溶剂水，充分混合均匀，通过口字型挤出口，挤出呈膜状的负极浆料膜；其中，负极干粉按重量比计，负极活性物质干粉、粘结剂干粉、导电剂干粉为(85~95) : (1~5) : (1~5)；负极干粉与负极溶剂水质量比例为(80~95) : (5~20)；（3）将步骤（1）的得到的正极浆料膜和步骤（2）得到的负极浆料膜分别通过热辊压机构，以热辊压方式分别贴合于正极集流体和负极集流体正反两面，分别形成正极片和负极片；（4）利用模切机构，分别将正极片、负极片冲切成方形正极单元片和方形负极单元片；（5）固体电解质膜制备：将双螺杆挤出机预热，再将聚合物固体电解质干粉、无机固体电解质干粉、熔盐电解质按质量比(1~30) : (70~80) : (0.5~10)置于双螺杆挤出机中，充分混合均匀，通过口字型挤出口，挤出呈膜状，再通过热辊压结构，以热辊压方式形成固体电解质膜，经模切机构，冲切成方形固体电解质膜单元片；（6）按照负极单元片//固体电解质膜单元片//正极单元片//固体电解质膜单元片//负极单元片//固体电解质膜单元片//正极单元片
……
负极单元片的重复结构型式构成电芯，电芯的两侧始终是负极单元片；（7）将电芯焊接极耳，封装于壳体中，即得固态锂电池。
[0009]所述封装前环境露点控制为
‑
25℃~
‑
65℃，采用加热、加压方式对固态锂电池进行化成。
[0010]所述的电池化成加压压力0.3MPa~2MPa，压力＜0.3MPa，化成过程中正极或负极与固体电解质膜之间界面接触不紧密，影响电池倍率性能和循环性能，压力＞2MPa，压力过大，电池内部结构容易被破坏；加热温度40℃~80℃，温度＜40℃，电池不能快速形成良好的界面膜，需要降低化成电流倍率，延长化成时间，影响化成效率，温度＞80℃，界面膜的稳定性降低，电池循环性能变差；化成电流倍率为0.02C~0.2C，电流倍率＜0.02C，充电时间长，
影响生产效率，电流倍率＞0.2C，电极表面不能形成均匀的电解质膜，电池循环性能下降。
[0011]所述方形负极单元片在横向和纵向两个方向的长度比方形正极单元片分别长2~5毫米；方形固体电解质膜单元片在横向和纵向两个方向的长度比方形负极单元片分别长2~5毫米。
[0012]所述的熔盐电解质由锂盐和含有氰基官能团的固体材料组成，锂盐在熔盐电解质中的质量百分数为35~65%；所述的锂盐为硼酸锂盐、含氟磺酰亚胺锂盐、含氟磷酸锂盐中的一种或多种；所述含有氰基官能团的固体材料为丙二腈、丁二腈、聚丙烯腈、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、六氯环三磷腈中一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，其特征在于：将包括熔盐电解质的正极浆料、包括溶剂水的负极浆料分别通过螺杆挤压成膜，并将形成的各膜分别与集流体热辊压复合，并冲切成正极单元片和负极单元片，将固体电解质通过螺杆挤出并挤压成膜后冲切成固体电解质膜单元片，按照负极单元片//固体电解质膜单元片//正极单元片的重复单元型式叠片，即获得半干法分片式无隔膜全固态锂电池。2.按权利要求1所述的半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，其特征在于：（1）正极浆料膜制备：将正极干粉充分混合均匀，置于双螺杆挤出机中，通过口字型挤出口，挤出呈膜状的正极浆料膜；其中，正极干粉按重量比计，正极活性物质干粉、粘结剂干粉、导电剂干粉、熔盐电解质为(85~95) : (1~5) : (1~5) : (0.5~3)；（2）负极浆料膜制备：将负极干粉置于双螺杆挤出机中，再加入负极溶剂水，充分混合均匀，通过口字型挤出口，挤出呈膜状的负极浆料膜；其中，负极干粉按重量比计，负极活性物质干粉、粘结剂干粉、导电剂干粉为(85~95) : (1~5) : (1~5)；负极干粉与负极溶剂水质量比例为(80~95) : (5~20)；（3）将步骤（1）的得到的正极浆料膜和步骤（2）得到的负极浆料膜分别通过热辊压机构，以热辊压方式分别贴合于正极集流体和负极集流体正反两面，分别形成正极片和负极片；（4）利用模切机构，分别将正极片、负极片冲切成方形正极单元片和方形负极单元片；（5）固体电解质膜制备：将双螺杆挤出机预热，再将聚合物固体电解质干粉、无机固体电解质干粉、熔盐电解质按质量比(1~30) : (70~80) : (0.5~10)置于双螺杆挤出机中，充分混合均匀，通过口字型挤出口，挤出呈膜状，再通过热辊压结构，以热辊压方式形成固体电解质膜，经模切机构，冲切成方形固体电解质膜单元片；（6）按照负极单元片//固体电解质膜单元片//正极单元片//固体电解质膜单元片//负极单元片//固体电解质膜单元片//正极单元片
……
负极单元片的重复结构型式构成电芯，电芯的两侧始终是负极单元片；（7）将电芯焊接极耳，封装于壳体中，即得固态锂电池。3.按权利要求2所述的半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，其特征在于：所述封装前环境露点控制为
‑
25℃~
‑
65℃，采用加热、加压方式对固态锂电池进行化成。4.按权利要求3所述的半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，其特征在于：所述的电池化成加压压力0.3MPa~2MPa，加热温度40℃~80℃，化成电流倍率为0.02C~0.2C。5.按权利要求2所述的半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，其特征在于：所述方形负极单元片在横向和纵向两个方向的长度比方形正极单元片分别长2~5毫米；方形固体电解质膜单元片在横向和纵向两个方向的长度比方形负极单元片分别长2~5毫米。6.根据权利要求2所述的半干法分片式无隔膜全固态锂电池生产方法，其特征在于：所述的熔盐电解质由锂盐和含有氰基官...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClH零一M一零零五八五，
申请(专利权)人：青岛中科赛锂达新能源技术合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：