浅析溶液浸入工艺制备全固态锂电池

本文摘要：随着锂离子电池技术的大大发展，对能量密度的执着也更加低，在国家近期发布的新能源汽车的指导方针中明确提出，到2020年，动力电池的单体比能量要超过300Wh/kg，这一指标要在现有的锂离子电池体系上构建十分艰难。在刚开会的第三届新型电池正负极材料技术估算论坛上，来自美国西北太平洋国家实验室的刘俊研究员明确提出，未来研发比能量超过500Wh/kg的电池主要有两种方法：低镍NCM和金属锂体系，另一个是锂硫电池体系，无论是使用那种办法，我们无法都无法避免金属锂。

随着锂离子电池技术的大大发展，对能量密度的执着也更加低，在国家近期发布的新能源汽车的指导方针中明确提出，到2020年，动力电池的单体比能量要超过300Wh/kg，这一指标要在现有的锂离子电池体系上构建十分艰难。在刚开会的第三届新型电池正负极材料技术估算论坛上，来自美国西北太平洋国家实验室的刘俊研究员明确提出，未来研发比能量超过500Wh/kg的电池主要有两种方法：低镍NCM和金属锂体系，另一个是锂硫电池体系，无论是使用那种办法，我们无法都无法避免金属锂。金属锂作为锂离子电池仅次于的问题是锂枝晶的产生和生长问题，目前虽然有研究表明醚类溶剂电解液需要有效地的诱导锂枝晶的产生，但是由于醚类化合物的分解成电压较低，并且具备很强的可燃性，因此无法在商业锂离子电池中应用于，从目前来看，对于使用金属锂负极的锂离子电池而言，全固态电解质是更为不切实际的办法，固态电解质具备较高的弹性模量需要很好的诱导锂枝晶的产生和生长，因此需要有效地的提升金属锂电池的循环寿命和安全性性能。

目前固态电解质主要分成两大类：无机陶瓷电解质和有机单体电解质，这其中以硫化物液体电解质最不具吸引力，因为其具备低的锂离子电导率(10-2S/cm)和较好的柔性特点，但是硫化物液体电解质更容易与极性溶剂再次发生反应，同时其微粒简化的特征也不会造成正负极匀浆艰难。为了解决问题这一问题，来自韩国蔚山大学的DongHyeonKim，明确提出了一种可以规模化制取全固态电池的新方法，该全固态电池的正负极皆使用了传统锂离子电池电极结构，利用Li6PS5Cl(LPSCl)的乙醇或者0.4LiI-0.6Li4SnS4的甲醇溶液对传统的锂离子电池电极展开增生，该电池展现出出有了较高的共轭容量，负极LiCoO2超过了141mAh/g，负极石墨材料则超过了364mAh/g(0.1C，30℃)，同时该电池在100℃下，也展现出出有了很好的电化学性能，指出该电池具备很好的热稳定性和安全性。

传统的固态锂离子电池生产都必须使用更为繁琐的干混过程混合活性物质、固态电解质和导电剂、粘结剂，但是在实际过程中我们更加期望需要使用滑混工艺混合这些电极组份，但是由于固态电解质与极性溶剂具备较强的反应活性，因此传统的锂离子电池生产过程中使用的极性溶剂无法应用于在全固态锂离子电池生产中，因此我们必须研发一种非极性溶剂用作全固态锂离子电池的生产，例如甲苯、二甲苯，同时传统的粘结剂，如PVDF、CMC、SBR等也不合适全固态电解质，因此还必须研发适合的粘结剂。此外，对于锂离子电池而言匀浆过程必须将三种物质混合均匀分布(活性物质、导电剂、粘结剂)，而对于全固态电池，这其中还要重新加入固态电解质，某种程度要考虑到电极的电子导电性，还要顾及电极的离子导电性。

总的来说全固态电解质电极制取过程要相比之下比锂离子电池的电极制取简单。为了使全固态锂离子电池的电极各个组份需要均匀分布的混合，DongHyeonKim等人首先利用传统工艺取得了锂离子电池电极极片，然后将液体电解质Li6PS5Cl和0.4LiI-0.6Li4SnS4分别做成乙醇和甲醇溶液，将锂离子电池极片浸泡到上述溶液中，然后展开潮湿和碾压，该工艺确保了液体电解质与活性物质之间均匀分布的混合，确保了电池较好的电化学性能。负极LiCoO2的共轭容量超过了141mAh/g，负极石墨材料则超过了364mAh/g(0.1C，30℃，半电池)，同时该电池在100℃下，也展现出出有了很好的电化学性能，指出该电池具备很好的热稳定性和安全性。

实验过程如下图右图，首先利用了传统的生产工艺取得正负极电极，然后将Li2S、P2S5和LiCl利用球篦混合均匀分布，然后将混合均匀分布的粉末沉淀在乙醇之中，构成皆一的溶液，再行利用最开始填充物的电极吸取液体电解质溶液，然后在真空环境下展开潮湿，除去溶剂，随后在真空环境，180℃下展开热处理，最后使用冷轧机在770MPa的压力下对上述电极展开碾压，减少电极的空隙率，提升离子电导率。对上述制取的极片使用场发射显微镜SESEM和X射线能谱EDXS仔细观察元素产于，结果如下图右图，可以看见，液体电解质很好的占有了活性物质颗粒之间的空间。

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