一种固态电池和车辆的制作方法

1.本发明涉及动力电池技术领域，特别是涉及一种固态电池和一种车辆。


背景技术：

2.目前，在相关技术中由于金属锂具有高的理论比容量和低的电位,有望大幅提升现有锂离子电池的能量密度，因此常采用金属锂作为负极。然而,锂枝晶生长导致的安全性差、化学活性高导致空气稳定性差等问题严重阻碍了其大规模实用化进程。锂对空气中的水分和氧化性组分极为敏感,反应产生的绝缘产物,如氢氧化锂等,会堆积在金属锂表面,降低其电化学性能。更为严重的是,如果锂不慎与水接触,会发生剧烈的产氢、产热反应而发生燃烧爆炸。这使得锂金属对运输、存储和加工过程的操作工艺、设备与环境要求苛刻,因而提高了全固态电池的安全制造门槛。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种固态电池和一种车辆。
4.在本发明的第一方面，本发明实施例提供了一种固态电池，包括：
5.含预锂化添加剂的正极层；
6.由纳米银膜组成的负极层；
7.位于所述负极层与所述正极层之间的固态电解质层。
8.可选地，所述正极层、所述负极层和所述固态电解质层通过一体化压制烧结工艺连接。
9.可选地，所述一体化压制烧结工艺的工艺参数包括：
10.压力范围为10～100兆帕；
11.加热时间为2～8小时；
12.温度为200～400摄氏度。
13.可选地，所述正极层包括镍钴锰酸锂、氮化锂、导电剂和粘结剂，其中所述氮化锂为所述预锂化添加剂。
14.可选地，所述氮化锂占比为1％～40％。
15.可选地，所述纳米银膜包括纳米银粉和纤维素。
16.可选地，所述纳米银粉与所述纤维素混合焊接于铜箔上。
17.可选地，所述固态电解质层由氧化物组成。
18.可选地，所述氧化物包括li7la3zr2o
12
、li
1.3
al
0.3
t
1.7
p3o
12
、li3zr2si2po
12
中的至少一种。
19.在本发明的第二方面，本发明实施例提供了一种车辆，包括如上所述的固态电池。
20.本发明实施例包括以下优点：
21.本发明实施例通过在正极层复合有预锂化添加剂，在充电过程中对之前因不可逆
反应损失的锂离子进行补充，从而提高固态电池的比能量；负极层由纳米银膜组成，在负极层上直接原位形成银锂合金，抑制锂枝晶的生长。同时，由于负极层不直接采用锂合金，固态电池的制造可以直接在空气中进行，提升了固态电池的生产安全性，降低了全固态电池的安全制造门槛。
附图说明
22.图1是本发明的一种固态电池实施例的结构图。
23.附体标记说明：100-正极层、200-负极层，300-固态电解质层。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.锂金属由于其很高的理论比容量(金属锂的比容量为3860mah/g)、低电势(电化学势为-3.04伏)及轻质量被认为是极具潜力的下一代电池用负极材料。然而，除了锂金属在电化学沉积、循环过程中存在的关键问题，如界面稳定性与锂枝晶生长，另一个限制金属锂负极使用的因素则是其在空气中不稳定的问题，这不仅提高了生产的成本和门槛，也在实际操作中带来安全隐患。
26.参照图1，示出了本发明的一种固态电池实施例的结构图，具体可以包括：
27.含预锂化添加剂的正极层100；
28.由纳米银膜组成的负极层200；
29.位于所述负极层200与所述正极层100之间的固态电解质层300。
30.在本发明实施例中，正极层100、电解质层和负极层200都以固态的形式相叠形成三层结构。正极层100通过含预锂化添加剂和锂金属等固态物质组成。负极层200由纳米银膜组成，并不含有锂金属。在充电过程中，负极层200上直接通过预锂化添加剂中的锂离子原位形成银锂合金，抑制锂枝晶的生长。位于负极层200和正极层100中的固态电解质层300则为正极层100和负极层200传递离子。
31.在本发明的一实施例中，所述正极层100、所述负极层200和所述固态电解质层300通过一体化压制烧结工艺连接。
32.在实际应用中，正极层100、负极层200和固态电解质层300可以按照预定的顺序放入模具中，将放入正极层100、负极层200和固态电解质层300对应的材料后，通过对该模具中的全部材料进行一体化压制，并且在压制后进行烧结，令正极层100、负极层200和固态电解质层300连接形成致密的三层固态电池结构。在便于对固态电池加工的同时可以令正极层100、负极层200和固态电解质层300中的材料更加致密，便于提高电池的能量密度。
33.进一步地，一体化压制烧结工艺过程中的工艺参数主要控制压制的压力、加热时间和加热温度。其中，对于压制的压力需要控制在10～100兆帕中的一个恒定值。对于加热时间需要控制在2～8小时，加热的温度则为200～400摄氏度。本领域技术人员可以根据工艺需求从中进行选择，本发明实施例不作具体限定。
34.在本发明的一实施例中，所述正极层100包括镍钴锰酸锂、氮化锂、导电剂和粘结剂，其中所述氮化锂为所述预锂化添加剂。
35.在实际应用中，正极层100可以包括镍钴锰酸锂、氮化锂、导电剂和粘结剂。对于镍钴锰酸锂、氮化锂、导电剂和粘结剂可以按照预设的比例范围混合组成正极层100，其中，镍钴锰酸锂和氮化锂的比例可以按照固态电池所需的能量密度设计。镍钴锰酸锂的化学式为linixcoymn
1-x-y
o2(x、y为0-1的自然数)。镍钴锰酸锂的理论容量达到280毫安时每克，产品实际容量超过150毫安时每克，具有高能量密度的特定；1库伦循环寿命500次容量保持80％以上；循环寿命高，并且晶体结构理想适合作为锂电池正极的锂离子材料。氮化锂的化学式为li3n，li3n是一种备受关注的正极预锂化添加剂，理论比容量高达2309毫安时每克，而且是一种离子导体，离子电导率为6毫西门子每厘米，可用于弥补在首次充电过程中发生在负极层200的不可逆锂损失和替代固态电解质在复合固态正极中的作用，因此可以采用氮化锂作为预锂化添加剂，以实现正极补锂。
36.进一步地，为了可以更好地实现正极补锂，氮化锂占比为1％～40％。举例而言，镍钴锰酸锂、氮化锂、导电剂和粘结剂的质量比可以为90:10:3:0.5、80:20:3:0.5、70:30:3:0.5，本发明实施例不作具体限定。
37.在本发明的一实施例中，所述纳米银膜包括纳米银粉和纤维素。
38.纳米银膜是指将粒径做到纳米级的金属银薄膜。具体地，纳米银膜可以包括纳米银粉和纤维素，纳米银粉为纳米级的金属银单质粉末，纤维素为高分子纤维素，纳米银粉和纤维素在混合后进行压制烧结即可形成多孔结构的银碳层，作为固态电池的负极层200。
39.进一步地，为了令纳米银膜可以更加均匀，可以将纳米银粉和纤维素混合焊接于铜箔上。可以在备料时，将纳米银粉和纤维素按比例进行混合，然后将纳米银粉和纤维素的混合物焊接于铜箔上。使得在压制和烧结的过程中纳米银粉和纤维素可以连同铜箔一起压制和烧结。对于将纳米银粉和纤维素焊接在铜箔上的方式，可以采用激光焊接，热熔焊接等，本领域技术人员可以根据实际需求采用不同的焊接方式，本发明实施例对此不作具体限定。
40.在本发明的一实施例中，所述固态电解质层300由氧化物组成。
41.在本发明实施例中，固态电解质层300由至少一种固态氧化物组成，使得固态电解质可以固态的形态传导离子，保证固态电池充放电过程中锂离子在正负极之间以一定的速率运动从而构成整个电路回路产生电流。
42.在实际应用中，氧化物具体包括为li7la3zr2o
12
、li
1.3
al
0.3
t
1.7
p3o
12
、li3zr2si2po
12
中的其中一种。其中，li7la3zr2o
12
为一种石榴石型(结构类型)陶瓷，中文名为锂镧锆氧，英文简称llzo，由于其具有高离子导电性以及与锂金属的相容性，可以用于充当固态电解质层300的材料。li
1.3
al
0.3
t
1.7
p3o
12
中文名为磷酸钛铝锂，英文简称为latp；其为锂离快导体中室温电导率最高的电解质之一，具有离子电导较高、较宽的电化学稳定窗口以及良好的热稳定性，同样可以用于充当固态电解质层300的材料。li3zr2si2po
12
，英文简称lzsp，具有高电化学稳定性的锂离子电解质，同样适合作为固态电解质层300的材料。
43.在本发明实施例中，通过氮化锂作为预锂化添加剂，在正极实现的补锂作用，并且在充电时，相当于在负极层200上直接原位形成银锂合金，抑制锂枝晶的生长。同时，由于负极层200不直接采用锂金属，固态电池的制造可以直接在空气中进行，提升了固态电池的生产安全性，降低了全固态电池的安全制造门槛。直接对正极层100、负极层200和固态电解质层300进行一体化压制烧结，令正极层100、负极层200和固态电解质层300连接，可以使得烧
结完成后即形成致密的固态电池结构，进而提高电池的能力密度。
44.为了使本领域技术人员能够更好地理解本技术实施例，下面通过三个例子对本技术实施例加以说明：
45.1)把镍钴锰酸锂、氮化锂、导电剂和粘结剂的量按照质量比90:10:3:0.5的比例混合形成复合的正极层100，固态电解质层300由llzo组成，负极为纳米银膜。正极层100、固态电解质层300和负极层200叠成三层结构，在100兆帕的压力下压制成型，采用280摄氏度烧结30分钟形成致密的三层固态电池结构。
46.2)把镍钴锰酸锂、氮化锂导电剂和粘结剂的量按照质量比80:20:3:0.5的比例混合形成复合的正极层100，固态电解质为latp，负极为纳米银膜，正极层100、固态电解质层300和负极层200叠成三层结构，在200兆帕的压力下压制成型，250摄氏度烧结1小时形成致密的三层固态电池结构。
47.3)把镍钴锰酸锂、氮化锂导电剂和粘结剂的量按照质量比70:30:3:0.5的比例混合形成复合的正极层100，固态电解质为lzsp，负极为纳米银膜，正极层100、固态电解质层300和负极层200叠成三层结构，在300兆帕的压力下压制成型，200摄氏度烧结2小时，形成致密的三层固态电池结构。
48.在本发明实施例中，本发明实施例还提供了一种车辆，包括如上所述的固态电池，通过固态电池为车辆存储电能，并且将存储的电能输出至车辆上，驱动车辆行进。
49.需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
50.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
51.本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
52.本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
53.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方
框或多个方框中指定的功能。
54.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
55.尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
56.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
57.以上对本发明所提供的一种固态电池和车辆，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。