[发明专利]用于锂离子电池的前驱体材料及制造锂离子电池的方法

说明书

一种用于锂离子电池的前驱体材料及制造锂离子电池的方法，该前驱体材料是可UV固化的和可印刷的，且能够兼作隔膜纸和固态电解质。前驱体材料包括溶解在一种或多种有机溶剂中的锂盐，重量百分比含量为约4％至约10％的可UV固化的单体，UV光引发剂，重量百分比含量为小于前驱体材料的约5％的一种或多种基体离子导电聚合物，以及陶瓷粉末。前驱体材料在被固化的情况下具有足够的机械强度，以起到防止锂离子电池阴极和锂离子电池阳极之间电短路的隔膜纸的作用。它还具有足够的导电性，以起到锂离子电池的电解质的作用。所提供的制造方法通过印刷可以允许形成具有复杂形状的电池。

技术领域

本发明涉及可印刷的用作固态电解质的前驱体材料，更具体地，涉及一种用于锂离子电池的可印刷的用作固态电解质的前驱体材料，该锂离子电池无需隔膜纸。

背景技术

关于高性能锂离子电池的需求不断增加。新型柔性且可穿戴电子产品的发展推动了对更小型电池的研究。该产业的一个关注点是，开发具有高安全性的、尤其适于高温情况下的柔性电池。特别需要指出的是，传统液态电解质的安全性问题已经广受关注，在高温情况下，电解液渗漏可能会导致火灾或引起爆炸。因此，已经有人对作为液态电解质的替代品的固态电解质进行了研究。以往，聚合物电解质主要是固态聚合物膜。这些聚合物膜需要额外的活化步骤，该步骤中，在组装成电池之前，将膜浸渍在液态电解质中。另一种方法使用具有更好湿润性的粘性聚合物电解质；但是，在没有隔膜纸的情况下，其机械强度不足以防止阴极和阳极之间的短路。另外，固态电解质较低的离子导电性和润湿性可能导致使用固态电解质的电池性能下降。

美国专利号4,792,504使用含有液体的聚合物网络作为固态电解质。它包括交联的PEO网络、金属盐和偶极性溶剂。在选择合适的溶剂以溶解聚合物和金属盐之后，需要进行固化步骤来蒸发聚合物溶剂，以获得在室温下具有2×10^-5S/cm的低离子电导率的电解质膜。

美国专利号8,889,301公开了一种包含嵌段共聚物的凝胶聚合物电解质，该嵌段共聚物具有用于离子流动的凝胶区域和用于机械支撑的刚性区域；它包括溶解在溶剂中的Li盐。为合成嵌段共聚物，需要进行多种不同且复杂的加工处理。通过压缩成型可以获得最终的薄膜，并且可以通过将该层凝胶聚合物电解质夹在正极和负极之间来组装电池。

WO2013169370公开了一种固态电解质膜，其包含多八面体的硅倍半氧烷-苯基₇(BF₃Li)₃（polyoctahedral silsesquioxane-phenyl₇(BF₃Li)₃）和PEO的混合物。由于最终产品是硬质固态薄膜，因此不能用作可印刷电解质，并且其离子导电率在环境温度下也较低。

2015年，李等人在《纳米快报》2015年15卷第5168-5177页发表了一种使用紫外线固化电解质的固态形状的锂离子电池。电解质基质与阴极电极和阳极电极混合，这可以改善锂离子传输的运动情况。所有阳极、阴极和电解质都是用模版印制，每次印刷后进行UV照射步骤。所有步骤都需要在手套箱内进行，使得处理过程变得困难。因为电解质基质与阴极糊和阳极糊混合，所以该工艺过程会更复杂。

NEI公司开发了聚合物基固态电解质和无机固态电解质，其包括超离子导电氧化物或硫化物基材料。第一组是固态聚合物薄膜，锂离子电导率接近10^-4S/cm，而第二组在室温下的锂离子电导率达到10^-4-10^-2S/cm。然而，无机固态电解质的生产成本非常高。

SEEO公司推出了一种固态电解质DryLyte，它是一种聚合物基层，先涂在电极表面上，然后进行热固化处理。

离子材料公司已开发出包含与导电聚合物混合的离子化合物的固态聚合物电解质膜，其室温离子电导率为1.3×10^-3S/cm。