一种调制固态电池及调制方法与流程

本发明属于化学电池领域，涉及一种使用金属阳离子载流子的充电电池，尤其适合于固态电池的优化改良, 确切的讲是改良快充时间、增加及均衡功率密度等指标的构造及方法。

背景技术：

1、固态电池是一种遵循固态离子学的，使用固体电极和固体电解液的电池构造，其原理与液态电池完全相同，只不过其电解质为固态。尽管固态电池一般功率密度相对较低，但能量密度较高得电动汽车理想电池选择之一。液态与固态锂电池被科学家们称为摇椅式电池，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为电解质。锂离子（或其它金属离子：铝离子、钠离子等等）在摇椅的两端来回奔跑，锂离子从正极到负极再到正极的运动周期就是一个充放周期。

2、

3、固态电池的发展历史： 从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子（或其它金属离子：铝离子、钠离子等等）电池带入电子设备的应用至今，液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。在2010年，丰田就曾推出过续航里程可超过1000km的固态电池。而包括sakti3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂电池。avestor公司使用一种高分子聚合物分离器，代替电池中的液体电解质，但一直没有解决安全问题。2018年1月消息，一项突破性的全新电池技术似乎终于接近现实。如果达到预期的话，新技术能满足手机上瘾者数天的使用需求，并且能使电动汽车的行驶里程增加到500英里（约804公里）以上。这项新技术被称为固态电池技术，它用陶瓷材料取代了当今电池中的液态电解质。

4、2018年1月，它与宝马公司结盟，后者已经承诺在未来10年内为其生产的每一款产品提供某种形式的电池组件，无论是传统的混合动力车、插电式电动车还是纯电动汽车（bev）。2021年1月9日，蔚来汽车发布全新150kwh固态电池包，搭载这项技术的蔚来电动车预计于2022年第四季度交付，续航里程有望超过1000公里。2022年1月22日，搭载赣锋固态电池的东风e70示范运营车在新余首发，首批50台固态电池示范运营车正式投放市场。赣锋锂电二期年产10gwh新型锂电池项目首条生产线也于当日正式投产。

5、2022年，我国动力电池技术创新能力不断提高，三元电池系统能量密度最大值提升至212wh/kg，在新能源汽车领域，预计到2027年全固态电池开始装车，预计到2030年可以实现量产化应用。

6、固态电池三大技术路线：固态电池有三大主流技术路线：聚合物固态电池、氧化物固态电池、硫化物固态电池，其中硫化物在全固态电池中发展潜力最大。理想的固态电解质材料应该拥有高离子电导率，对锂金属具有化学和电化学稳定性，能够很好地抑制锂枝晶产生，制造成本较低，无需使用稀有金属等特点。但目前三大技术路线各有优缺点，未有能同时满足以上要求的，在技术突破上仍存在一定的难度。总的来说，硫化物电解质在全固态电池中最具有发展潜力。

7、固态电池的四大技术优势：

8、优势一轻——能量密度高。使用了全固态电解质后，锂离子电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。

9、优势二薄——体积小。传统锂离子电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代（主要有有机和无机陶瓷材料两个体系），正负极之间的距离（传统上由隔膜电解液填充，现在由固态电解质填充）可以缩短到甚至只有几到十几个微米，这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化，薄膜化的必经之路。

10、优势三柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的，材料会变得有柔性。相应的，全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高，通过使用适当的封装材料（不能是刚性的外壳），制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

11、 优势四更安全。传统锂电池可能发生以下危险：(1) 在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路破坏 (2)电解液为有机液体，在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。采用全固态电池技术，以上问题就可以直接得到解决。

12、态电池的四大技术瓶颈：

13、瓶颈一——电解质材料性能不足：固态电解质的离子电导率普遍低于液态电解质，导致电池内阻大、充放电效率低。硫化物电解质虽电导率较高（10⁻² s/cm），但化学稳定性差，易与正负极发生副反应；氧化物电解质机械性能优异，但界面接触差，需高温烧结工艺。

14、瓶颈二——固固界面接触难题：固态电池中电极与电解质之间的固固界面接触不良，导致锂离子传输效率下降，循环寿命缩短。此外，锂枝晶问题仍未彻底解决，可能引发短路风险。

15、瓶颈三——散热与低温性能：高功率快充时产生的热量难以有效散发，且固态电池在低温环境下性能衰减明显（-20℃时容量保持率不足50%），目前尚无经济高效的解决方案。

16、瓶颈四——制造成本高企：当前固态电池生产成本是传统锂电池的3-5倍，主要因特殊工艺设备（如干法电极、高压烧结）和材料（如高纯度硫化物电解质）成本高昂。例如，硫化物固态电解质粉体的规模化生产仍处于中试阶段，价格高达50万元/吨。

技术实现思路

1、本发明的目的：解决已有技术的不足之处，从根本上改进现有的固态电池的构造格局及运行模式，以弥补固态电池的四大技术瓶颈，以发挥出接近极限参数的：更小的等效内阻、更大的能量密度、更短的充电时间。

2、本发明的特点：以位移电流来克服金属离子（如锂离子）穿过固固界面的接触难题， 沿着金属离子当时需要的迁移方向，积累局部浓度梯度，主动提升锂离子的传输效率。

3、本发明的技术方案如下:

4、一种调制固态电池：

5、该调制固态电池的结构依次包括：正极集流板、正极材料、固态电解质、负极材料及负极集流板；以及插入正极材料、固态电解质、负极材料的网状调制电极；

6、网状调制电极的安装特征为: 在正极材料、固态电解质、负极材料的内部及表面安装有网状调制电极，该网状调制电极的表面与电解质及集流板平行；网状调制电极的结构为纵横交错的金属丝或非金属导电材料丝，各个金属丝可以在节点或网状调制电极的边界连接，就是电气连接； 但网状调制电极需要做电子及离子的绝缘处理，就是在金属丝的表面进行附着绝缘层。

7、网状调制电极的布线排布是纵横交错或是单存的纵向或横向的， 一遍节省材料及增加孔洞面积的占空比，可以减少阻碍离子通过的面积。

8、一种调制固态电池的调制方法；

9、是针对调制固态电池的一种使用方法，充电时将正、负极集流板分别接在充电电源的正负极上后，用隔离电平生成装置驳接在网状调制电极上（孤立隔离的隔离电平生成装置与电池的各层处于高阻抗状态，没有电气回路通路，网状调制电极不会与电池的各层之间产生额外电场），向网状调制电极发送调制电平，其产生的附加电场的位移电流指向负极材料，附加电场而依次穿过正极材料及负极材料与固态电解质之间的固固界面，或单一穿过固态电解质；产生离子浓度的递增，更有利于金属离子穿越网状调制电极界面；将加速促成金属离子的梯度沿着在位移电流的方向上增强，提高了载流子的迁徙速率及迁移数量；

10、在调制固态电池接入负载放电时，接入的隔离电平生成装置向网状调制电极发送调制电平；其产生的附加电场的位移电流指向正极材料，附加电场而依次穿过负极材料、固态电解质及正极材料，以及各材料之间的固固界面，或单一穿过固态电解质；产生离子浓度的递增，更有利于金属离子穿越网状调制电极界面，提高载流子的迁徙速率及迁移数量。

11、进一步：网状调制电极可以是采用2片调制电极模式或3片调制电极模式；2片调制电极模式的网状调制电极分别放置在，正极材料及负极材料中，或者是电解质的表面；3片调制电极模式下，3个网状调制电极分别位于正极材料、固态电解质及负极材料内部，接入隔离电平生成装置中，在3片网状调制电极之间，分段产生位移电流。

12、进一步：所述的隔离电平生成装置向网状调制电极发送调制电平，所生成的位移电流（电场强度）连续波形，或（瞬态的）脉冲波形，直流脉动波形有利于增加。

13、进一步：不仅用于固态电池、也能用于液态电解质电池

14、本发明的有益特点:

15、加速载流子（锂离子（或其它金属离子：铝离子、钠离子等等））向正极及负极的迁移，相当于改善降低内阻；加速充电、更大电流放电及扩展容量等优点。