[发明专利]全固态电池电极的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言涉及锂离子电池领域。更具体而言，其涉及全固态锂离子电池的电极以及这种电池电极的新制造方法。

背景技术

用于向独立的电气装置(如电话和笔记本电脑、便携设备、独立式传感器)供电、或者用于为电动汽车提供牵引力的理想电池应该具有长寿命、能够储存大量的能量和功率储备，并且不会表现出任何过热或者爆炸的风险。

当前，这些电气装置基本上由锂离子电池(本文称为“Li离子”电池)供电，在公开的各种储存技术中，其具有最好的能量密度。另一方面，Li离子电池可利用不同的结构和不同化学组成的电极制成。

许多文章和专利中都记载了制备Li离子电池的方法，2002年(Kluever Academic/Plenum出版社)出版的“锂离子电池的进展(Advances in Lithium-Ion Batteries)”一书(W.van Schalkwijk和B.Scrosati)中全面地列出了这些方法。

Li离子电池电极可通过涂布技术(特别是辊涂、刮刀、带式铸造)来制造。利用这些方法时，用于制造电极的活性材料呈粉末状，该粉末的平均尺寸介于直径5和15μm之间。这些颗粒被整合在包含这些颗粒的墨中并沉积在基底的表面上。

这些技术可用于制备厚度介于50至400μm之间的沉积物。可通过改变沉积物的厚度及其孔隙率以及活性颗粒的尺寸来调节电池的功率和能量。

沉积形成电极的墨(或糊状物)含有活性材料颗粒，还含有(有机)粘结剂、在颗粒间形成电接触的碳粉、以及在电极干燥步骤中被 蒸发的溶剂。对电极进行压延步骤，以提高颗粒间电接触的性能并且使沉积物致密化。在该压缩步骤之后，电极活性颗粒占该沉积物体积的约60％，这意味着在颗粒间通常有40％的孔隙率。

各颗粒间的接触基本上为点接触并且该电极结构为多孔的。孔被电解质填充，电解质可以是液体(溶解有锂盐的非质子溶剂)，或者为浸渍有锂盐并且在一定程度上聚合的凝胶形式。Li离子电池电极的厚度通常介于50至400μm之间，并且锂离子通过经过被电解质(含有锂盐)填充的孔的电极的厚度来传输。电极厚度方向上的锂扩散速率随着孔的数量和尺寸而变化。

锂离子必须既在颗粒的厚度方向上又在电极(即，覆层)的厚度方向上扩散，以确保电池的平稳工作。活性材料在颗粒中的扩散比在电解质中的扩散慢。因此，必须减小粒径以确保电池良好的功率性能，在标准Li离子电池中该粒径介于5至15μm之间。

通过改变沉积物的厚度和墨中含有的活性颗粒的密度和尺寸可改变电池的功率和能量。能量密度的增加必然会损害功率密度。功率高的电池电芯(cell)必须使用薄的非常多孔的电极和隔膜，相反，能量密度的增加则通过增加该厚度和降低孔隙率来实现。John Newman于1995年1月发表在J.Electrochem.Soc.，第142卷第1期中的文章“Optimization of Porosity and Thickness of a Battery Electrode by Means of a Reaction-Zone Model”展示了电极厚度及其孔隙率对它们的放电速率(功率)和能量密度的相应影响。

然而，增大电极中的孔隙率往往会降低电池的能量密度。如果要增大电极的能量密度，则不得不降低孔隙率。然而，在现有的Li离子电池中，锂离子在电极中扩散的主要方式是通过孔，该孔填充有电解质并且位于活性材料之间。如果没有被电解质填充的孔，则锂离子只能通过颗粒间的接触从一个颗粒传输至下一个颗粒，并且该接触基本上为点接触。对锂离子传输的阻碍使得电池不能工作。

另外，为了满意地工作，所有的电极孔必须均被电解质填充。这仅仅在孔为开放的情况下才是可能的。另外，取决于孔的尺寸及其曲率，以电解质浸渍电极可能会变得很困难，甚至是不可能的。当浸渍 有电解质的孔隙率降低时，沉积物的电阻降低并且其离子抗性增大。当孔隙率降至低于30％或甚至低于20％时，离子抗性强烈升高，因为一些孔易于封闭，这阻止了电极被电解质润湿。

因此，当需要制造无孔隙率的电极膜以提高能量密度时，应该将这些膜的厚度限制为小于20μm，并且优选为小于10μm，从而使固体中的锂离子能够快速扩散而没有任何功率损失。

然而，上述现有的沉积技术不能够精确控制沉积物的厚度。另外，所使用的干固体份(dry extracts)和与之相关的墨粘度导致不可能使厚度降至低于20μm。