在剛剛召開的第三屆新型電池正負(fù)極材料技術(shù)估計(jì)論壇上,來自美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的劉俊研究員提出,未來開發(fā)比能量達(dá)到500Wh/kg的電池主要有兩種方法:高鎳NCM和金屬鋰體系,另一個(gè)是鋰硫電池體系,無論是采用那種辦法,我們無法都無法避開金屬鋰。

       我們知道金屬鋰作為鋰離子電池最大的問題是鋰枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)問題,目前雖然有研究顯示醚類溶劑電解液能夠有效的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生,但是由于醚類化合物的分解電壓較低,并且具有很強(qiáng)的可燃性,因此難以在商業(yè)鋰離子電池中應(yīng)用,從目前來看,對(duì)于采用金屬鋰負(fù)極的鋰離子電池而言,全固態(tài)電解質(zhì)是較為可行的辦法,固態(tài)電解質(zhì)具有較高的彈性模量能夠很好的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng),因此能夠有效的提高金屬鋰電池的循環(huán)壽命和安全性能。

       目前固態(tài)電解質(zhì)主要分為兩大類:無機(jī)陶瓷電解質(zhì)和有機(jī)聚合電解質(zhì),這其中以硫化物固體電解質(zhì)最具吸引力,因?yàn)槠渚哂懈叩匿囯x子電導(dǎo)率(10-2S/cm)和良好的柔性特點(diǎn),但是硫化物固體電解質(zhì)容易與極性溶劑發(fā)生反應(yīng),同時(shí)其微粒化的特征也會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極勻漿困難。

       為了解決這一問題,來自韓國(guó)蔚山大學(xué)的DongHyeonKim,提出了一種可以規(guī)模化制備全固態(tài)電池的新方法,該全固態(tài)電池的正負(fù)極均采用了傳統(tǒng)鋰離子電池電極結(jié)構(gòu),利用Li6PS5Cl(LPSCl)的乙醇或者0.4LiI-0.6Li4SnS4的甲醇溶液對(duì)傳統(tǒng)的鋰離子電池電極進(jìn)行浸潤(rùn),該電池表現(xiàn)出了較高的可逆容量,正極LiCoO2達(dá)到了141mAh/g,負(fù)極石墨材料則達(dá)到了364mAh/g(0.1C,30℃),同時(shí)該電池在100℃下,也表現(xiàn)出了很好的電化學(xué)性能,表明該電池具有很好的熱穩(wěn)定性和安全性。

       傳統(tǒng)的固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)都需要采用較為繁復(fù)的干混過程混合活性物質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)和導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑,但是在實(shí)際過程中我們更希望能夠采用濕混工藝混合這些電極組份,但是由于固態(tài)電解質(zhì)與極性溶劑具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性,因此傳統(tǒng)的鋰離子電池生產(chǎn)過程中采用的極性溶劑無法應(yīng)用在全固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)中,因此我們需要開發(fā)一種非極性溶劑用于全固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn),例如甲苯、二甲苯,同時(shí)傳統(tǒng)的粘結(jié)劑,如PVDF、CMC、SBR等也不適合全固態(tài)電解質(zhì),因此還需要開發(fā)合適的粘結(jié)劑。

       此外,對(duì)于鋰離子電池而言勻漿過程需要將三種物質(zhì)混合均勻(活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑),而對(duì)于全固態(tài)電池,這其中還要加入固態(tài)電解質(zhì),不僅僅要考慮電極的電子導(dǎo)電性,還要兼顧電極的離子導(dǎo)電性。總的來說全固態(tài)電解質(zhì)電極制備過程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋰離子電池的電極制備復(fù)雜。

       為了使全固態(tài)鋰離子電池的電極各個(gè)組份能夠均勻的混合,DongHyeonKim等人首先利用傳統(tǒng)工藝獲得了鋰離子電池電極極片,然后將固體電解質(zhì)Li6PS5Cl和0.4LiI-0.6Li4SnS4分別制成乙醇和甲醇溶液,將鋰離子電池極片浸入到上述溶液中,然后進(jìn)行干燥和碾壓,該工藝保證了固體電解質(zhì)與活性物質(zhì)之間均勻的混合,保證了電池良好的電化學(xué)性能。

       正極LiCoO2的可逆容量達(dá)到了141mAh/g,負(fù)極石墨材料則達(dá)到了364mAh/g(0.1C,30℃,半電池),同時(shí)該電池在100℃下,也表現(xiàn)出了很好的電化學(xué)性能,表明該電池具有很好的熱穩(wěn)定性和安全性。

       實(shí)驗(yàn)過程,首先利用了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝獲得正負(fù)極電極,然后將Li2S、P2S5和LiCl利用球磨混合均勻,然后將混合均勻的粉末溶解在乙醇之中,形成均一的溶液,再利用最開始涂布的電極吸收固體電解質(zhì)溶液,然后在真空環(huán)境下進(jìn)行干燥,除去溶劑,隨后在真空環(huán)境,180℃下進(jìn)行熱處理,最后采用冷軋機(jī)在770MPa的壓力下對(duì)上述電極進(jìn)行碾壓,降低電極的空隙率,提高離子電導(dǎo)率。

       

DongHyeonKim開發(fā)的新型制備固態(tài)電池工藝,采用固態(tài)電解質(zhì)溶液的方式獲得了均勻的固態(tài)電解質(zhì)電極,從而保證了電極良好的離子電導(dǎo)率,相比于傳統(tǒng)的干混工藝制備固體電解質(zhì)電極,電池的倍率性能和循環(huán)性能都有了較大的提升。同時(shí)該固態(tài)電解質(zhì)電池能夠在100℃下正常工作,表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)性能。同時(shí)采用無紡布+固體電解質(zhì)的薄隔膜使得該固體電解質(zhì)電池工藝能夠更加方便的應(yīng)用在傳統(tǒng)的卷繞式電芯的生產(chǎn)中。


 
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