【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法與裝置，屬于固態(tài)電池制造。
技術介紹
1、固態(tài)電池具有高安全性、高能量密度高、快充長續(xù)航及低溫性能好等突出優(yōu)勢，成為新能源電池中的翹楚。目前，固態(tài)電池以選用聚合物/氧化物/硫化物/鹵化物體系作為固態(tài)電解質，以薄膜的形式分割正負極，從而替代隔膜的作用，但對高壓正極和低壓負極都具有電化學穩(wěn)定性的單一電解質較為困難。目前，采用雙層電解質分別對低電壓負極和高電壓正極電化學穩(wěn)定，是實現(xiàn)負極和正極界面處電解質組合物解耦的有效手段，但如何制造超薄(<10μm)、均勻且致密的固態(tài)電解質實現(xiàn)高能量密度并提高固態(tài)的工藝良率是目前面臨的難題。
2、固態(tài)電池的制備工藝主要分為干法和濕法，濕法工藝最大的優(yōu)勢在于可以制備出超薄的電解質薄膜，推動全固態(tài)電池發(fā)揮出它的高能量密度優(yōu)勢，但濕法工藝中采用的溶劑存在毒性大、成本高的缺點，且殘留的溶劑會降低電極薄膜和固體電解質薄膜的致密性與均勻性，影響離子電導率，無法突破固-固面接觸阻抗大的瓶頸。干法工藝主要通過延壓、平板壓等方式實現(xiàn)，分別將電極材料和固體電解質與粘結劑混合壓延成膜，不需要烘干，全過程不涉及溶劑，可獲得更高的離子電導率，具有環(huán)保的優(yōu)點，但干法工藝形成的固體電解質薄膜通常厚度偏大，會降低全固態(tài)電池的能量密度，壓延后膜層易于出現(xiàn)結塊，以及層間存在殘余應力等導致機械強度降低、界面分層和接觸阻抗增大。此外，由于固相無潤濕性，孔隙率高，界面電阻大，不利于鋰離子在正負極之間傳輸，從而影響快充性能和循環(huán)壽命。
1、為了解決上述問題，本專利技術提供了一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法與裝置，采用超快激光在集流體、電極薄膜和電解質薄膜的每一層接觸界面在線圖案化加工形成凹槽，構建鋰離子三維傳輸網(wǎng)絡；采用激光快速加熱和壓輥輥壓實現(xiàn)多層電極薄膜與集流體的依次復合，雙層固態(tài)電解質之間的復合，以及正極電極極片、雙層固態(tài)電解質和負極電極極片之間的一次性復合，從而獲得三維一體化結構的固態(tài)電池；采用激光均勻輻照加熱多級壓延且逐級遞增壓力，根據(jù)加熱溫度精確調控壓力，從而解決超薄薄膜復合后的致密性、均勻性及壓實問題，進而減少界面電阻，提高鋰離子傳輸性能，達到提高能量密度和充放電倍率性能的技術效果；采用激光輻照對電極薄膜和電解質薄膜逐層退火來消除壓延產(chǎn)生的殘余應力。
2、一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，該方法采用如下技術方案：
3、步驟一：電極薄膜和固態(tài)電解質薄膜制備；
4、不同物料成分和比例的正極梯度材料經(jīng)過多級熱壓延后制備出厚度不大于50μm的正極電極薄膜，不同物料成分和比例的負極梯度材料經(jīng)過多級熱壓延后制備出厚度不大于10μm的負極電極薄膜，不同物料成分的固態(tài)電解質物料經(jīng)過多級熱壓延后分別制備出厚度不大于10μm的正極電解質薄膜和負極電解質薄膜，且薄膜厚度的最大偏差均不大于1μm，最后對電極薄膜和電解質薄膜進行退火處理；
5、步驟二：雙層固態(tài)電解質薄膜制備；
6、在步驟一制備的正極電解質薄膜表面制備出微納結構交錯網(wǎng)絡圖案，圖案的深度不超過正極電解質薄膜厚度的50％，然后與負極電解質薄膜輥壓復合，再經(jīng)過多級熱壓延壓實，從而制備出厚度不大于20μm的雙層固態(tài)電解質薄膜，且厚度最大偏差不大于1μm；在復合輥壓前端接觸部位，調節(jié)激光輻照在正極電解質薄膜和負極電解質薄膜表面的光功率與光斑面積比例，確保輥壓處正極電解質薄膜和負極電解質薄膜的溫度略低于其中粘結劑的熔點；最后，采用激光均勻輻照雙層固態(tài)電解質薄膜進行退火處理；多級壓延的壓力在100t至500t之間逐級遞增且壓力可以根據(jù)壓實效果精確調控；
7、步驟三：正極電極極片的制備；
8、在正極集流體上表面制備出微納結構交錯網(wǎng)絡圖案，圖案的深度不超過正極集流體厚度的50％；在激光均勻輻照加熱下將步驟一制備的三層正極梯度材料的正極電極薄膜依次壓延復合在正極集流體表面形成正極電極極片；
9、激光均勻輻照加熱正極電極薄膜并使其溫度略低于正極梯度材料中粘結劑的熔點，每復合一層正極電極薄膜后均進行多級熱壓延壓實和一次激光均勻輻照退火處理，且每層正極電極薄膜的上表面均制備出微納結構交錯網(wǎng)絡圖案，圖案的深度不超過單層正極電極薄膜厚度的50％；多級壓延的壓力在100t至500t之間逐級遞增且壓力可以根據(jù)壓實效果精確調控；
10、步驟四：負極電極極片的制備；
11、在負極集流體上表面制備出微納結構交錯網(wǎng)絡圖案，圖案的深度不超過負極集流體厚度的50％；在激光均勻輻照加熱下將步驟一制備的兩層負極梯度材料的負極電極薄膜依次壓延復合在負極集流體表面形成負極電極極片；
12、激光均勻輻照加熱負極電極薄膜并使其溫度略低于負極梯度材料中粘結劑的熔點，每復合一層負極電極薄膜后均進行多級熱壓延壓實和一次激光均勻輻照退火處理，且每層負極電極薄膜的上表面均制備出微納結構交錯網(wǎng)絡圖案，圖案的深度不超過單層負極電極薄膜厚度的50％；多級壓延的壓力在100t至500t之間逐級遞增且壓力可以根據(jù)壓實效果精確調控；
13、步驟五：正極電極極片、雙層固態(tài)電解質薄膜和負極電極極片的壓延復合；
14、在外力的牽引和激光均勻輻照加熱下，步驟二至步驟四制備的正極電極極片、雙層固態(tài)電解質薄膜和負極電極極片在復合輥之間進行壓延復合，然后再經(jīng)過多級熱壓延壓實和一次激光均勻輻照退火處理后形成固態(tài)電池；
15、雙層固態(tài)電解質薄膜中的正極電解質薄膜與正極電極極片接觸復合，雙層固態(tài)電解質薄膜中的負極電解質薄膜與負極電極極片接觸復合；采用激光分別均勻輻照加熱接觸復合部位，通過調控激光輻照在電極薄膜和電解質薄膜表面的功率與光斑面積比例來確保電極薄膜和電解質薄膜的溫度均略低于其中粘結劑的熔點；多級壓延的壓力在100t至500t之間逐級遞增且壓力可以根據(jù)壓實效果精確調控。
16、如附圖1、附圖2和附圖3所示，本專利技術提供的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備裝置，該裝置包括雙層固態(tài)電解質薄膜制備單元、正極電極極片制備單元、負極電極極片制備單元和固態(tài)電池芯片復合單元；
17、所述的雙層固態(tài)電解質薄膜制備單元由制膜單元a、制膜單元b、圖案化模塊a、激光模組a、復合輥a、復合輥b、膜厚儀a、退火模塊a、張力器a、張力器b和張力器c組成；制膜單元a制備出厚度不大于10μm的正極電解質薄膜，圖案化模塊a在正極電解質薄膜表面制作出微納結構交錯網(wǎng)絡圖案，圖案深度不超過正極電解質薄膜厚度的50％，張力器a向制膜單元a制備的正極電解質薄膜施加穩(wěn)定的張力；制膜單元b制備出厚度不大于10μm的負極電解質薄膜，張力器b向制膜單元b制備的負極電解質薄膜施加穩(wěn)定的張力；正極電解質薄膜和負極電解質薄膜在激光模組a的均勻輻照加熱下進入復合輥a和復合輥b之間進行輥壓復合，然后再經(jīng)過多級壓延模塊a進行壓實，加熱溫度略低于其中粘結劑的熔點；膜厚儀a監(jiān)測復合后雙層固態(tài)電解質薄膜的厚度和面密度本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于該方法采用如下的技術方案：
2.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法所采用的裝置，其特征在于該裝置包括雙層固態(tài)電解質膜制備單元、正極極片制備單元、負極極片制備單元和固態(tài)電池芯片復合單元；
3.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于采用激光快速加熱與多級壓延結合實現(xiàn)多層電極薄膜與集流體的依次復合，雙層固態(tài)電解質之間的復合，以及正極電極極片、雙層固態(tài)電解質薄膜和負極電極極片之間的一次性復合，從而獲得三維一體化結構的固態(tài)電池。
4.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于采用超快激光在集流體、電極薄膜和電解質薄膜的每一層接觸界面上進行在線圖案化加工微納結構，構建鋰離子三維傳輸網(wǎng)絡。
5.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于采用激光輻照對壓延后的電極薄膜和電解質薄膜進行逐層退火處理，然后對復合后的固態(tài)電池進行退火處理，消除輥壓復合
6.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于采用激光均勻輻照加熱多級壓延且逐級遞增壓力，根據(jù)壓實效果精確調控壓力，從而解決超薄薄膜復合后的致密性、均勻性及壓實問題，進而減少界面電阻，提高鋰離子傳輸性能，達到提高能量密度和充放電倍率性能的技術效果。
...【技術特征摘要】
1.一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于該方法采用如下的技術方案：
2.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法所采用的裝置，其特征在于該裝置包括雙層固態(tài)電解質膜制備單元、正極極片制備單元、負極極片制備單元和固態(tài)電池芯片復合單元；
3.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝制備方法，其特征在于采用激光快速加熱與多級壓延結合實現(xiàn)多層電極薄膜與集流體的依次復合，雙層固態(tài)電解質之間的復合，以及正極電極極片、雙層固態(tài)電解質薄膜和負極電極極片之間的一次性復合，從而獲得三維一體化結構的固態(tài)電池。
4.如權利要求1所述的一種具有三維一體化結構的固態(tài)電池干法工藝...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王菲，高曉軍，李賓斌，
申請(專利權)人：高曉軍，
類型：發(fā)明
國別省市：
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