一种全固态电芯结构、其制备方法及全固态电芯组与流程

技术特征：

1.一种全固态电芯结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

采用干法制备正极活性层，将正极活性层与正极集流体叠片复合得到正极片，在正极活性层外周套设绝缘圈，得到结构Ⅰ；

制备电解质浆料，经涂布烘干后得到电解质隔膜，将电解质隔膜贴近结构Ⅰ的正极活性层，与结构Ⅰ叠片复合后得到结构Ⅱ；

制备负极浆料，经涂布烘干后得到负极活性层，将负极活性层贴近结构Ⅱ的电解质隔膜，与结构Ⅱ叠片复合后得到结构Ⅲ；

在结构Ⅲ的负极活性层表面层叠负极集流体，经过叠片和封装后得到所述全固态电芯结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述正极活性层的干法制备过程包括：

正极活性材料、正极电解质、导电剂和正极粘结剂混合后依次经过球磨和热辊压后得到所述正极活性层；

优选地，所述正极活性材料、正极电解质、导电剂和正极粘结剂的质量比为(40～90):(5～55):(0.1～10):(0.1～10)；

优选地，所述热辊压的温度为50～200℃；

优选地，所述正极活性材料为核壳结构，包括正极颗粒和包覆于所述正极颗粒表面的包覆层；

优选地，所述正极颗粒的化学通式为LiNixCoyMzO2，x≥0，y≥0，z≥0，且x y z＝1，其中M选自Mn、Al、Zr、Ti、V、Mg、Fe或Mo中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述包覆层的材料为离子导体，进一步优选为Li2TiO3、LiNbO3、Li3BO3、Li2ZrO3、LiCoO3、LiPO3、Li2MnO4、Al(PO3)3、La(PO3)3或NaPO3中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述包覆层的厚度为1～10nm；

优选地，所述正极电解质包括硫化物电解质和/或卤化物电解质；

优选地，所述硫化物电解质包括thio-LISICON、Li10GeP2S12、Li6PS5Cl、Li10SnP2S12、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-LiBr-Li2S-P2S5或Li2S-B2S3中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述卤化物电解质包括Li3YCl6、Li3BrY6、Li3ErCl6、Li3YbCl6、LiInxSc0.66-xCl4、Li2.5Y0.5Zr0.5Cl6或Li3ErI6中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述导电剂包括零维导电剂、一维导电剂和二维导电剂；

优选地，所述零维导电剂为点状导电剂，进一步优选地，所述零维导电剂包括导电炭黑和/或AB；

优选地，所述一维导电剂为线状导电剂和/或管状导电剂，进一步优选地，所述一维导电剂包括碳纳米管和/或碳纤维；

优选地，所述二维导电剂包括石墨烯；

优选地，所述正极粘结剂包括PTFE。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述正极活性层的厚度为10～200μm；

优选地，将制备得到的正极活性层进行模切，随后与正极集流体叠片后进行平压或等静压复合，得到正极片；

优选地，模切后的正极活性层的长宽比为1～10；

优选地，所述正极集流体为涂碳铝箔，包括铝箔以及涂覆于所述铝箔至少一侧表面的碳层；

优选地，所述铝箔的长度两侧为空箔区，所述铝箔的中部区域为涂碳区，所述空箔区内留白，所述涂碳区内设置有碳层；

优选地，单侧空箔区的宽度为1～5cm；

优选地，正极活性层与正极集流体的叠片复合过程包括：

将若干正极活性层沿涂碳铝箔的长度方向并排间隔设置于所述碳层表面，辊压复合后，将各正极活性层连带相应的正极集流体裁切下来得到正极片，涂碳铝箔的空箔区裁切形成正极极耳；

优选地，相邻两个正极活性层之间的间隙宽度为3～50mm；

优选地，所述正极极耳的宽度为所在正极片边长的10～30％；

优选地，所述正极极耳的长宽比为1～3；

优选地，在裁切得到的正极片中，所述正极集流体的各边边长大于所述正极活性层的各边边长，从而在正极活性层外周形成环形的正极集流体空白区域；

优选地，所述正极集流体的各边边长比所述正极活性层的各边边长大1.5～6mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘圈的材质为聚合物材料或电解质隔膜材料；

优选地，所述聚合物材料包括PET、PI、PP或PE；

优选地，所述电解质隔膜材料包括氧化物电解质膜或硫化物电解质膜，进一步优选为硫化物电解质膜；

优选地，所述绝缘圈的厚度为正极活性层厚度的50～100％；

优选地，所述绝缘圈套设于正极活性层外周的环形正极集流体空白区域；

优选地，所述绝缘圈的内圈长宽尺寸与正极活性层的长宽尺寸相同，所述绝缘圈的外圈长宽尺寸与正极片的最大外缘尺寸相同或大于正极片的最大外缘尺寸；

优选地，所述绝缘圈的外圈长宽尺寸比正极片的最大外缘尺寸大0～1mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电解质浆料包括硫化物、电解质粘结剂和电解质溶剂；

优选地，所述电解质粘结剂和硫化物的质量比为(0.1～10):(90～99.9)；

优选地，所述电解质粘结剂包括PVDF5130、PVDF75130、PVDF21216、PVD、F6020、PVDF-HVS900、PVDF-HFP、PVDF-LBG、NBR、HNBRSBR、SBS、SEBS或PTFE中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述电解质溶剂包括二氯甲烷、四氢呋喃、正己烷、正庚烷、甲苯、2，4-二甲基-3-戊酮、一氯代苯、二甲苯、苯甲醚、环己酮、1，3，5-三甲苯、正癸烷或甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述电解质浆料的涂布过程采用的基材包括PET、PI、铝箔或不锈钢，进一步优选为铝箔；

优选地，涂布烘干后得到的电解质隔膜包括基材和位于基材表面的电解质层；

优选地，所述电解质隔膜的厚度为10～50μm；

优选地，对电解质隔膜进行模切，模切后的电解质隔膜的长宽尺寸与正极片的最大外缘尺寸相同或大于正极片的最大外缘尺寸；

优选地，所述电解质的长宽尺寸比正极片的最大外缘尺寸大0～1mm；

优选地，所述电解质隔膜的电解质层一侧贴近结构Ⅰ的正极活性层，与结构Ⅰ叠片后进行平压或等静压复合，随后去除基材，电解质层保留在正极活性层表面，得到结构Ⅱ。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述负极浆料中包括硅材料、电解质、负极粘结剂、导电剂和负极溶剂；

优选地，所述负极浆料中还包括合金材料和/或碳材料；

优选地，所述碳材料包括硬碳、软碳或石墨；

优选地，所述合金材料包括Si合金和/或Sn合金；

优选地，所述负极粘结剂包括PAA、Li-PAA、SBR、NBR、HNBR、SBS、SEBS、PTFE或PEO中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述负极溶剂包括纯水、二氯甲烷、四氢呋喃、正己烷、正庚烷、甲苯、2，4-二甲基-3-戊酮、一氯代苯、二甲苯、苯甲醚、环己酮、1，3，5-三甲苯、正癸烷或甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述硅材料、合金材料、碳材料、电解质、负极粘结剂和导电剂的质量比为(5～90):(1～30):(0～80):(0～60):(0.1～15):(0.1～15)；

优选地，制备得到的负极活性层经过模切后与结构Ⅱ叠片复合；

优选地，模切后的负极活性层的各边边长小于正极片中正极集流体的各边边长，同时大于正极片中正极活性层的各边边长；

优选地，模切后的负极活性层的各边边长比正极片中正极集流体的各边边长小0.5～4mm，模切后的负极活性层的各边边长比正极片中正极活性层的各边边长大0.5～4mm；

优选地，将模切后的负极活性层层叠至电解质隔膜表面，经过平压复合或等静压复合后得到结构Ⅲ；

优选地，所述负极活性层的厚度为10～150μm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述负极集流体为锂铜复合带，包括铜箔以及涂覆于铜箔至少一侧表面的锂层；

优选地，所述锂铜复合带中的锂层厚度为1～50μm；

优选地，所述锂铜复合带的面容量不超过负极活性层面容量的25％；

优选地，所述锂铜复合带一侧边缘设置有负极极耳，所述负极极耳的宽度为所在锂铜复合带边长的10～30％；

优选地，所述负极极耳的长宽比为1～3；

优选地，所述锂铜复合带的锂层一侧朝向结构Ⅲ的负极活性层，贴合于负极活性层表面。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述等静压复合采用温等静压复合或冷等静压复合；

优选地，所述温等静压复合的温度为40～120℃；

优选地，所述温等静压复合的压强为5～700MPa；

优选地，所述温等静压复合的保压时间为1～720min；

优选地，所述温等静压复合的施压次数为1～3次；

优选地，所述冷等静压复合的温度为20～30℃；

优选地，所述冷等静压复合的压强为5～700MPa；

优选地，所述冷等静压复合的保压时间为1～720min；

优选地，所述冷等静压复合的施压次数为1～3次。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的全固态电芯结构，其特征在于，所述全固态电芯结构包括依次层叠的负极集流体、负极活性层、电解质隔膜、正极活性层和正极集流体；

所述正极活性层外周套设有绝缘圈。

10.一种全固态电芯组，其特征在于，所述全固态电芯组包括依次堆叠的若干全固态电芯结构，所述全固态电芯结构中的正极集流体为双面均设置有碳层的铝箔，所述负极集流体为双面均设置有锂层的铜箔，相邻两个全固态电芯结构之间共用同一正极集流体或同一负极集流体；

所述全固态电芯结构为权利要求9所述的全固态电芯结构。

技术总结
本发明提供了一种全固态电芯结构、其制备方法及全固态电芯组，所述制备方法包括：采用干法制备正极活性层，将正极活性层与正极集流体叠片复合得到正极片，在正极活性层外周套设绝缘圈，得到结构Ⅰ；制备电解质浆料，经涂布烘干后得到电解质隔膜，将电解质隔膜贴近结构Ⅰ的正极活性层，与结构Ⅰ叠片复合后得到结构Ⅱ；制备负极浆料，经涂布烘干后得到负极活性层，将负极活性层贴近结构Ⅱ的电解质隔膜，与结构Ⅱ叠片复合后得到结构Ⅲ；在结构Ⅲ的负极活性层表面层叠负极集流体，经过叠片和封装后得到所述全固态电芯结构。本发明通过组装过程中的预锂能够有效提高电池首效和使用硅负极片电池的循环性能，简化制备流程，提高制造效率和一致性。

技术研发人员：王磊;陈少杰;袁文森;王志文;李瑞杰;张琪;
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技(无锡)有限公司;
技术研发日：2022.01.28
技术公布日：2022.05.03