固态电池以及固态电池的制备方法与流程

本发明涉及固态电池以及固态电池的制备方法。

背景技术：

1、随着锂离子电池和钠离子电池在大型储能和动力领域的广泛应用，单体电芯的容量和功率需求不断增加。为了提高效率和降低成本，需要减少电池组合时的并联数量。因此，大容量、高功率电芯成为发展的重要方向。

2、目前，钠电池在外形上主要有三种类型：圆柱形、方形铝壳以及铝塑膜软包。然而，无论是半固态还是全固态电池，通常都选择铝塑膜软包形态进行生产。传统的锂、钠电池主要由五大部分组成：正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜，如图1。

3、传统电池结构的五大部分在大容量和高功率应用中存在一定的局限性。例如，隔膜和液态电解液在高温高压环境下容易出现稳定性问题，且生产过程中存在安全隐患。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种容量大、稳定、安全且高效的固态电池。

2、本发明的第二目的在于提供一种容量大、安全性高、成本低、工序简单的固态电池的制备方法。

3、本发明的第一目的是这样实现的：

4、一种固态电池，包括改性正极、改性负极和铝塑膜，所述铝塑膜用于容纳改性正极和改性负极，所述改性正电极包括正极和复合固态电解质，所述正极包括正极活性材料、导电剂、导离子剂和粘结剂；

5、所述改性负极包括负极和复合固态电解质，所述负极包括负极活性材料、导电剂、导离子剂和粘结剂；

6、所述复合固态电解质包括以下组分：

7、mpi，用于提供机械强度和柔韧性；

8、dmac，用于溶解和分散其他成分；

9、nasicon型固态电解质，用于提高电池的离子导电性能；

10、这三种组分通过均匀混合形成所述复合固态电解质；

11、所述复合固态电解质分别涂覆在正极和负极表面，并通过烘干工艺使其固化，从而形成具有良好电性能和机械性能的固态电解质层。

12、通过取消了传统电解液，采用固态电解质代替，避免了传统电解液易燃的问题，大大提高了电池的安全性。同时，取消传统的pe或pp隔膜，进一步提高了电池的安全性，避免因锂或钠枝晶刺穿隔膜导致的短路问题。

13、通过取消电解液的使用，减轻了生产车间的环保和安全监管压力，提升了生产环境的安全性和环保性。

14、由于复合固态电解质由高分子mpi、溶剂dmac和nasicon型固态电解质组成，这三种组分均匀混合后，分别涂覆在正极和负极表面，并通过烘干工艺使其固化，形成具有良好电性能和机械性能的固态电解质层。该固态电解质层不仅提供了良好的离子导电性能，还具有优良的机械强度和柔韧性，起到传统电池的隔膜功能。

15、本发明减少了生产工序，不再需要隔膜和电解液，简化了生产流程，提高了生产效率，降低了生产成本。

16、由于固态电解质在高温下能够保持稳定，不分解，使得本发明能够在60-120℃的高温下进行化成工序。同时，固态电解质能够承受高压力，使得本发明在高压条件下进行化成时仍然能够保持稳定，不会出现短路问题。

17、通过将正负极交叉叠成一定数量和厚度的电芯，容量可达300ah以上，适用于大型储能和动力领域。经过封装、高温高压化成和测容后形成成品电芯，具有较高的容量和功率。

18、由于生产工序减少，原材料使用效率提高，本发明的生产成本大大降低，具有较高的经济性。

19、本发明的第一目的还可以采用以下技术措施解决：

20、进一步地，所述复合固态电解质的组成配比为：mpi占5％-30％，dmac占20％-80％，nasicon型固态电解质占15％-50％。

21、mpi(改性聚氨酯)占5％-30％的比例，提供了优良的机械强度和柔韧性。这样一来，固态电解质层不仅坚固耐用，还能够适应电池在充放电过程中产生的体积变化，避免层裂和性能下降。

22、dmac(二甲基乙酰胺)占20％-80％的比例，作为溶剂，能够有效溶解和分散其他成分。dmac的广泛比例范围确保了不同电解质体系中均能实现最佳的溶解和分散效果，促进均匀混合，提升电解质层的均匀性和稳定性。

23、nasicon型固态电解质占15％-50％的比例，主要用于提高电池的离子导电性能。nasicon结构材料具有较高的离子导电率，能够显著提升电池的整体导电性能，进而提高电池的充放电效率和容量保持率。

24、所述配比范围的灵活性允许在不同应用场景下调整成分比例，以优化特定性能需求。例如，可以通过增加nasicon型固态电解质的比例来进一步提升离子导电性能，或者通过增加mpi的比例来增强机械强度。

25、通过合理的配比设计，保证了固态电解质在机械性能、离子导电性能和溶解分散性能之间的良好平衡。这种综合性能的优化，使得电池在实际应用中能够表现出优异的循环稳定性和高效能量输出。

26、优化后的复合固态电解质层在正极和负极表面的均匀分布，经过烘干和辊压工艺处理后，能够显著提高电池的整体电性能和机械性能，延长电池寿命，增强其在高温高压条件下的稳定性和安全性。

27、进一步地，所述固态电解质层的厚度为2-20微米。

28、固态电解质层的厚度为2-20微米，可以有效缩短锂离子或钠离子的传导路径，降低离子迁移阻力，从而提高电池的离子导电率和电化学性能。

29、较薄的电解质层有助于增加电池的有效体积和重量比，从而提高电池的能量密度。2-20微米的厚度范围确保了在保持高能量密度的同时，依然具有足够的机械强度和稳定性。

30、固态电解质层的厚度在2-20微米之间，可以提供适当的机械强度和柔韧性，能够适应电池在充放电过程中产生的体积变化，防止层裂和分层现象，确保电池的结构完整性和长期循环稳定性。

31、2-20微米的厚度范围适合现有的涂布和辊压工艺，便于实现均匀涂覆和烘干，确保电解质层的均匀性和质量稳定。这种厚度范围也使得生产工艺更加可控，减少制造过程中的缺陷率，提高生产效率。

32、适当厚度的固态电解质层能够有效防止电池内部短路，尤其是在高温高压环境下。2-20微米的厚度既保证了足够的机械隔离，又不会增加过多的电阻，确保电池在各种工作条件下的安全性和可靠性。

33、固态电解质层的厚度为2-20微米，能够在电池的多次充放电循环中保持稳定，不易发生形变或分解，显著提高电池的循环寿命。稳定的固态电解质层能够有效避免枝晶的形成和生长，减少电池衰减。

34、2-20微米的厚度范围灵活，适用于不同类型和规格的电池，包括高能量密度的储能电池和高功率输出的动力电池。无论是用于大型储能还是电动汽车驱动，本发明的固态电解质层都能提供优良的性能。

35、进一步地，所述正极活性材料为锂化合物，所述nasicon型固态电解质包括latp和/或lazzo。

36、latp(li1+xalxti2-x(po4)3)和lazzo(li1+xalxzr2-x(po4)3)是nasicon型固态电解质，具有较高的锂离子导电率。这些材料的使用能够显著提高固态电池的整体离子导电性能，从而提高电池的充放电效率。

37、latp和lazzo材料具有优异的电化学稳定性，能够在高电压下保持稳定，不易分解或反应。这种稳定性确保了电池在高能量密度和长循环寿命下的可靠性。

38、锂化合物作为正极活性材料，与latp和lazzo的化学兼容性好，能够形成稳定的界面。这种兼容性减少了界面阻抗，改善了电池的电化学性能，并防止界面处的副反应。

39、latp和lazzo作为固态电解质材料，具有良好的热稳定性和机械强度，能够在高温和高压下保持稳定，防止电池热失控和内部短路，提高了电池的安全性能。

40、固态电解质层能够有效抑制锂枝晶的生长，防止其穿透隔膜导致的短路问题。latp和lazzo材料的致密结构进一步增强了这种抑制效果，提高了电池的安全性和寿命。

41、latp和lazzo固态电解质材料具有优良的机械性能，能够提供足够的机械支撑，防止电池在循环过程中因体积变化而导致的层裂和分层现象。

42、latp和lazzo材料在宽温度范围内表现出良好的导电性能和稳定性，使得固态电池在各种环境条件下都能稳定工作，适应性更广。

43、高导电率的nasicon型固态电解质材料与高容量的锂化合物正极结合，能够显著提高电池的能量密度，适用于需要高能量存储的应用场景，如电动汽车和大规模储能系统。

44、latp和lazzo材料的合成工艺成熟，成本相对较低，适合大规模生产。采用这些材料制造的固态电池不仅性能优越，而且具有良好的成本效益。

45、进一步地，所述正极活性材料为钠化合物，所述nasicon型固态电解质包括natp和/或nazzo。

46、natp(na1+xalxti2-x(po4)3)和nazzo(na1+xalxzr2-x(po4)3)是nasicon型固态电解质，具有较高的钠离子导电率。这些材料的使用能够显著提高固态钠电池的整体离子导电性能，从而提高电池的充放电效率。

47、natp和nazzo材料具有优异的电化学稳定性，能够在高电压下保持稳定，不易分解或反应。这种稳定性确保了电池在高能量密度和长循环寿命下的可靠性。

48、钠化合物作为正极活性材料，与natp和nazzo的化学兼容性好，能够形成稳定的界面。这种兼容性减少了界面阻抗，改善了电池的电化学性能，并防止界面处的副反应。natp和nazzo作为固态电解质材料，具有良好的热稳定性和机械强度，能够在高温和高压下保持稳定，防止电池热失控和内部短路，提高了电池的安全性能。

49、固态电解质层能够有效抑制钠枝晶的生长，防止其穿透隔膜导致的短路问题。natp和nazzo材料的致密结构进一步增强了这种抑制效果，提高了电池的安全性和寿命。

50、natp和nazzo固态电解质材料具有优良的机械性能，能够提供足够的机械支撑，防止电池在循环过程中因体积变化而导致的层裂和分层现象。

51、natp和nazzo材料在宽温度范围内表现出良好的导电性能和稳定性，使得固态钠电池在各种环境条件下都能稳定工作，适应性更广。

52、高导电率的nasicon型固态电解质材料与高容量的钠化合物正极结合，能够显著提高电池的能量密度，适用于需要高能量存储的应用场景，如电动汽车和大规模储能系统。natp和nazzo材料的合成工艺成熟，成本相对较低，适合大规模生产。采用这些材料制造的固态钠电池不仅性能优越，而且具有良好的成本效益。

53、钠资源丰富且分布广泛，钠化合物作为正极材料比锂更具环保优势。使用natp和nazzo作为电解质的钠电池能够减少对锂资源的依赖，具有更好的环境可持续性。

54、本发明的第二目的是这样实现的：

55、一种固态电池的制备方法，

56、步骤一：将正极活性材料、导电剂、导离子剂和粘结剂经过搅拌、涂布、对辊后制成正极，将负极活性材料、导电剂、导离子剂和粘结剂经过搅拌、涂布、对辊后制成负极；

57、步骤二：

58、a、首先，取dmac于容器中搅拌；

59、b、接着，加mpi，边加边搅拌；

60、c、接着，加入nasicon型固态电解质，便加边搅拌；

61、d、密封搅拌4～12小时，加温40～60℃，抽真空去泡，组成配比为：mpi占5％-30％，dmac占20％-80％，nasicon型固态电解质占15％-50％的复合固态电解质装入专用容器形成复合固态电解质，备下道工序使用；

62、步骤三：把步骤二的复合固态电解质均匀涂布到正极表面上，厚度2-10微米，温度设定100～150℃之间，烘干后，经过辊压，收成卷料，备下道工序使用，把步骤二的复合固态电解质均匀涂布到负极表面上，厚度2-15微米，温度设定100～150℃之间，烘干后，经过辊压，收成卷料，备下道工序使用；

63、步骤四：把步骤三做好的正极和负极采取正负交替的叠片方式组装成电芯在60-120℃的高温下对电池进行充电化成处理。

64、通过在复合固态电解质中加入mpi，提供了必要的机械强度和柔韧性，使电解质层在高温和压力下保持稳定，不易破裂或变形。

65、nasicon型固态电解质的加入显著提高了电池的离子导电性能，确保电池在充放电过程中的高效运作。

66、dmac作为溶剂，能够有效溶解和分散其他成分，使复合固态电解质均匀分布在正极和负极表面，确保电池性能的均一性和稳定性。

67、通过均匀涂布和烘干工艺，复合固态电解质能够在电极表面形成致密、均匀的电解质层，提高了电极与电解质之间的接触性能，降低了界面阻抗，提升了电池的整体性能。

68、辊压工艺的应用使得电解质层更加致密，减少了电池的内部电阻，提高了电池的能量转换效率和输出功率。

69、固态电解质层的形成消除了传统液态电解液的易燃性风险，同时nasicon型固态电解质的使用进一步提升了电池的热稳定性和化学稳定性。

70、步骤清晰明确，通过标准化的操作流程，使生产过程更加简便高效，有助于提高生产效率和产品一致性，降低生产成本。

71、取消了传统电解液的使用，减少了生产过程中对环境的污染和有害物质的排放，符合绿色环保的要求。

72、在60至120℃的高温下进行化成处理，使固态电解质与电极材料更好地接触，提高了电池的性能和循环寿命。

73、本发明的有益效果如下：

74、本发明通过采用改性正极和改性负极，以及复合固态电解质，不仅提升了电池的安全性和性能，还优化了生产流程，提高了生产效率和经济性，适用于大容量、高功率电池的生产。

75、本发明，通过设定mpi、dmac和nasicon型固态电解质的合理配比，提升了固态电池的整体性能，包括机械强度、离子导电率和电解质层的均匀性，使得本发明的固态电池在安全性、效率和寿命方面具有显著优势。

76、本发明，通过设定固态电解质层的厚度为2-20微米，本发明的固态电池在离子导电性能、能量密度、机械强度、制造工艺、安全性和循环寿命等方面均得到了优化，适应多种应用场景，显著提升了电池的整体性能。

77、本发明，通过使用锂化合物作为正极活性材料，并结合latp和/或lazzo作为nasicon型固态电解质，本发明的固态电池在离子导电率、电化学稳定性、界面兼容性、安全性、机械性能和适用性等方面都得到了显著提升，为高性能固态电池的应用提供了坚实的基础。

78、本发明，通过使用钠化合物作为正极活性材料，并结合natp和/或nazzo作为nasicon型固态电解质，本发明的固态钠电池在离子导电率、电化学稳定性、界面兼容性、安全性、机械性能和适用性等方面都得到了显著提升，为高性能固态钠电池的应用提供了坚实的基础。

79、本发明的固态电池制备方法，通过优化材料配比和生产工艺，不仅提高了电池的性能和安全性，还简化了生产流程，提高了环境友好性，为高性能固态电池的应用提供了可靠的技术支持。