[发明专利]一种通过冷压-材料分级级配制备固体电极的方法

说明书

本发明涉及一种通过冷压‑材料分级级配制备固体电极的方法，包括如下步骤：(1)依据颗粒D₅₀值的大小对电极粉体材料进行3～4级级配，相邻两个等级的D₅₀值之比大于4；(2)将经所述级配所得的电极粉体材料与聚偏氟乙烯在有机溶剂中混合，分散均匀，得混合浆料；(3)将所述混合浆料刮涂到集流体上，烘干；(4)将烘干后所得的极片在常温下压制，即得。本发明通过对电极材料进行分级级配，结合电池匀浆、压片技术，提供一种通过冷压‑材料分级级配制备固体电极的方法，该方法可以成功制成孔隙率在20％内的固体电极，为未来全固态电池的普及提供条件。

技术领域

本发明属于固态锂离子电池技术领域，具体涉及一种通过冷压-材料分级级配制备固体电极的方法。

背景技术

随着社会经济、技术的不断发展，人民环保的意识逐渐增强，对美好城市环境的憧憬愈发强烈。同时，随着化石能源的日渐枯竭，燃油价格不断上涨，使用电池作为动力的电动汽车成为了未来汽车发展的必然选择。与其他充电电池相比，锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、污染小、快速充放电等优点，是电动汽车的理想动力来源，然而，当前的锂离子电池仍存在能量密度偏低，易起火燃烧等问题。使用固体电解质代替传统液体电解质制成的全固态电池有望从根本上解决上述问题。传统锂离子电池相比，固态电池的优势在于：固态电池中的电解质含量更少，电极材料占比更大，可以有效提高电池的能量密度；固体电解质不挥发，不可燃，不存在漏液、易燃易爆等安全隐患。

固体锂离子电池的充放电原理与传统锂离子电池相同，仅是以固体电解质取代易挥发、易燃的液体有机电解质。因此，固体电极应由活性材料、传递离子的固体电解质、传递电子的导电剂组成。当前常见的固体电解质包括氧化物固体电解质、硫化物固体电解质以及聚合物电解质，其中硫化物固体电解质对环境中的水分极其敏感，聚合物电解质导电率较差，化学、电化学稳定性较差，均不利于大规模生产，而氧化物电解质具有离子导电性较高，电化学、化学稳定性好的优点，因此，本发明的思路是使用氧化物固体电解质作为电极中的离子导体。在当前的固体电池研究中，对于正极的处理方法主要有使用各种溅射、沉积手段制成薄膜电极(Journal of electrochemical society.1996,143(10):3203-3213；Solid State Ionics.2000,135(3-4):41-42；功能材料.2008,39(1):91-94)或使用PEO基聚合物电解质对电极活性材料进行包覆的方法(Advanced Energy Materials.2017,1701437；Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,1-5)，但二者均存在自身的不足：前者的能量密度有限，限制了薄膜电池的使用范围；后者室温电导率低，电化学、化学稳定性不佳。为降低电复合极阻抗，提高电池的能量密度，本发明设计制成孔隙率在20％以内的活性材料/氧化物固体电解质/导电材料固体电极。另外，为了能连续工业化生产，提高电池产率，固体电极不宜烧结加工。在此前提下，本发明参照现代水泥浆制配方法，使用冷压-分级级配的方式制备固体电极。

根据紧密堆积模型，大颗粒紧密排布形成的空隙由中等颗粒填充，大、中颗粒形成的空隙又由小的颗粒填充，依次分级填充可以大大提高堆积密度，如图1所示。然而，此种情况仅适用于理论中摆球似的填充，对实际粒子填充并不适用。在实际操作中，大颗粒、中颗粒、小颗粒包括极小颗粒并不会严格按照数学上的最优排列进行分布，其排布类似于图2，因此，各级粒子间的级差应加大，小颗粒的量也会远高于紧密堆积模型中的使用量。此种方法在现代水泥浆制配中被大量研究，李鹏晓等人即总结出多元体系不同组分颗粒平均粒径比至少4倍以上才能取得较好的紧密堆积效果(石油钻采工艺.2017.Vol.39No.3.307-312)；周仕名等也指出，较细颗粒的数量，应足够充填于紧密排列颗粒构成的空隙中。适当增加粗粒组分的数量，可提高混合物堆积密度，使它接近最紧密堆积，但当组分大于3时，则实际意义不大(石油钻探技术.2007.Vol.35No.4.46-49)。而在制备固体电极时，因为所用材料粒度更小，颗粒间作用更强，更难制成孔隙率在20％以内的致密电极。

发明内容