本發(fā)明涉及固態(tài)電池以及固態(tài)電池的制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著鋰離子電池和鈉離子電池在大型儲(chǔ)能和動(dòng)力領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單體電芯的容量和功率需求不斷增加。為了提高效率和降低成本，需要減少電池組合時(shí)的并聯(lián)數(shù)量。因此，大容量、高功率電芯成為發(fā)展的重要方向。

2、目前，鈉電池在外形上主要有三種類型：圓柱形、方形鋁殼以及鋁塑膜軟包。然而，無論是半固態(tài)還是全固態(tài)電池，通常都選擇鋁塑膜軟包形態(tài)進(jìn)行生產(chǎn)。傳統(tǒng)的鋰、鈉電池主要由五大部分組成：正極、負(fù)極、隔膜、電解液和鋁塑膜，如圖1。

3、傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)的五大部分在大容量和高功率應(yīng)用中存在一定的局限性。例如，隔膜和液態(tài)電解液在高溫高壓環(huán)境下容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，且生產(chǎn)過程中存在安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一目的在于提供一種容量大、穩(wěn)定、安全且高效的固態(tài)電池。

2、本發(fā)明的第二目的在于提供一種容量大、安全性高、成本低、工序簡(jiǎn)單的固態(tài)電池的制備方法。

3、本發(fā)明的第一目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

4、一種固態(tài)電池，包括改性正極、改性負(fù)極和鋁塑膜，所述鋁塑膜用于容納改性正極和改性負(fù)極，所述改性正電極包括正極和復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，所述正極包括正極活性材料、導(dǎo)電劑、導(dǎo)離子劑和粘結(jié)劑；

5、所述改性負(fù)極包括負(fù)極和復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，所述負(fù)極包括負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑、導(dǎo)離子劑和粘結(jié)劑；

6、所述復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)包括以下組分：

7、mpi，用于提供機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性；

8、dmac，用于溶解和分散其他成分；

9、nasicon型固態(tài)電解質(zhì)，用于提高電池的離子導(dǎo)電性能；

10、這三種組分通過均勻混合形成所述復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)；

11、所述復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)分別涂覆在正極和負(fù)極表面，并通過烘干工藝使其固化，從而形成具有良好電性能和機(jī)械性能的固態(tài)電解質(zhì)層。

12、通過取消了傳統(tǒng)電解液，采用固態(tài)電解質(zhì)代替，避免了傳統(tǒng)電解液易燃的問題，大大提高了電池的安全性。同時(shí)，取消傳統(tǒng)的pe或pp隔膜，進(jìn)一步提高了電池的安全性，避免因鋰或鈉枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致的短路問題。

13、通過取消電解液的使用，減輕了生產(chǎn)車間的環(huán)保和安全監(jiān)管壓力，提升了生產(chǎn)環(huán)境的安全性和環(huán)保性。

14、由于復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)由高分子mpi、溶劑dmac和nasicon型固態(tài)電解質(zhì)組成，這三種組分均勻混合后，分別涂覆在正極和負(fù)極表面，并通過烘干工藝使其固化，形成具有良好電性能和機(jī)械性能的固態(tài)電解質(zhì)層。該固態(tài)電解質(zhì)層不僅提供了良好的離子導(dǎo)電性能，還具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，起到傳統(tǒng)電池的隔膜功能。

15、本發(fā)明減少了生產(chǎn)工序，不再需要隔膜和電解液，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

16、由于固態(tài)電解質(zhì)在高溫下能夠保持穩(wěn)定，不分解，使得本發(fā)明能夠在60-120℃的高溫下進(jìn)行化成工序。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)能夠承受高壓力，使得本發(fā)明在高壓條件下進(jìn)行化成時(shí)仍然能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)短路問題。

17、通過將正負(fù)極交叉疊成一定數(shù)量和厚度的電芯，容量可達(dá)300ah以上，適用于大型儲(chǔ)能和動(dòng)力領(lǐng)域。經(jīng)過封裝、高溫高壓化成和測(cè)容后形成成品電芯，具有較高的容量和功率。

18、由于生產(chǎn)工序減少，原材料使用效率提高，本發(fā)明的生產(chǎn)成本大大降低，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

19、本發(fā)明的第一目的還可以采用以下技術(shù)措施解決：

20、進(jìn)一步地，所述復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的組成配比為：mpi占5％-30％，dmac占20％-80％，nasicon型固態(tài)電解質(zhì)占15％-50％。

21、mpi(改性聚氨酯)占5％-30％的比例，提供了優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。這樣一來，固態(tài)電解質(zhì)層不僅堅(jiān)固耐用，還能夠適應(yīng)電池在充放電過程中產(chǎn)生的體積變化，避免層裂和性能下降。

22、dmac(二甲基乙酰胺)占20％-80％的比例，作為溶劑，能夠有效溶解和分散其他成分。dmac的廣泛比例范圍確保了不同電解質(zhì)體系中均能實(shí)現(xiàn)最佳的溶解和分散效果，促進(jìn)均勻混合，提升電解質(zhì)層的均勻性和穩(wěn)定性。

23、nasicon型固態(tài)電解質(zhì)占15％-50％的比例，主要用于提高電池的離子導(dǎo)電性能。nasicon結(jié)構(gòu)材料具有較高的離子導(dǎo)電率，能夠顯著提升電池的整體導(dǎo)電性能，進(jìn)而提高電池的充放電效率和容量保持率。

24、所述配比范圍的靈活性允許在不同應(yīng)用場(chǎng)景下調(diào)整成分比例，以優(yōu)化特定性能需求。例如，可以通過增加nasicon型固態(tài)電解質(zhì)的比例來進(jìn)一步提升離子導(dǎo)電性能，或者通過增加mpi的比例來增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。

25、通過合理的配比設(shè)計(jì)，保證了固態(tài)電解質(zhì)在機(jī)械性能、離子導(dǎo)電性能和溶解分散性能之間的良好平衡。這種綜合性能的優(yōu)化，使得電池在實(shí)際應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高效能量輸出。

26、優(yōu)化后的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)層在正極和負(fù)極表面的均勻分布，經(jīng)過烘干和輥壓工藝處理后，能夠顯著提高電池的整體電性能和機(jī)械性能，延長(zhǎng)電池壽命，增強(qiáng)其在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性和安全性。

27、進(jìn)一步地，所述固態(tài)電解質(zhì)層的厚度為2-20微米。

28、固態(tài)電解質(zhì)層的厚度為2-20微米，可以有效縮短鋰離子或鈉離子的傳導(dǎo)路徑，降低離子遷移阻力，從而提高電池的離子導(dǎo)電率和電化學(xué)性能。

29、較薄的電解質(zhì)層有助于增加電池的有效體積和重量比，從而提高電池的能量密度。2-20微米的厚度范圍確保了在保持高能量密度的同時(shí)，依然具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

30、固態(tài)電解質(zhì)層的厚度在2-20微米之間，可以提供適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，能夠適應(yīng)電池在充放電過程中產(chǎn)生的體積變化，防止層裂和分層現(xiàn)象，確保電池的結(jié)構(gòu)完整性和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。

31、2-20微米的厚度范圍適合現(xiàn)有的涂布和輥壓工藝，便于實(shí)現(xiàn)均勻涂覆和烘干，確保電解質(zhì)層的均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定。這種厚度范圍也使得生產(chǎn)工藝更加可控，減少制造過程中的缺陷率，提高生產(chǎn)效率。

32、適當(dāng)厚度的固態(tài)電解質(zhì)層能夠有效防止電池內(nèi)部短路，尤其是在高溫高壓環(huán)境下。2-20微米的厚度既保證了足夠的機(jī)械隔離，又不會(huì)增加過多的電阻，確保電池在各種工作條件下的安全性和可靠性。

33、固態(tài)電解質(zhì)層的厚度為2-20微米，能夠在電池的多次充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定，不易發(fā)生形變或分解，顯著提高電池的循環(huán)壽命。穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)層能夠有效避免枝晶的形成和生長(zhǎng)，減少電池衰減。

34、2-20微米的厚度范圍靈活，適用于不同類型和規(guī)格的電池，包括高能量密度的儲(chǔ)能電池和高功率輸出的動(dòng)力電池。無論是用于大型儲(chǔ)能還是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)，本發(fā)明的固態(tài)電解質(zhì)層都能提供優(yōu)良的性能。

35、進(jìn)一步地，所述正極活性材料為鋰化合物，所述nasicon型固態(tài)電解質(zhì)包括latp和/或lazzo。

36、latp(li1+xalxti2-x(po4)3)和lazzo(li1+xalxzr2-x(po4)3)是nasicon型固態(tài)電解質(zhì)，具有較高的鋰離子導(dǎo)電率。這些材料的使用能夠顯著提高固態(tài)電池的整體離子導(dǎo)電性能，從而提高電池的充放電效率。

37、latp和lazzo材料具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在高電壓下保持穩(wěn)定，不易分解或反應(yīng)。這種穩(wěn)定性確保了電池在高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命下的可靠性。

38、鋰化合物作為正極活性材料，與latp和lazzo的化學(xué)兼容性好，能夠形成穩(wěn)定的界面。這種兼容性減少了界面阻抗，改善了電池的電化學(xué)性能，并防止界面處的副反應(yīng)。

39、latp和lazzo作為固態(tài)電解質(zhì)材料，具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在高溫和高壓下保持穩(wěn)定，防止電池?zé)崾Э睾蛢?nèi)部短路，提高了電池的安全性能。

40、固態(tài)電解質(zhì)層能夠有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，防止其穿透隔膜導(dǎo)致的短路問題。latp和lazzo材料的致密結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了這種抑制效果，提高了電池的安全性和壽命。

41、latp和lazzo固態(tài)電解質(zhì)材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能，能夠提供足夠的機(jī)械支撐，防止電池在循環(huán)過程中因體積變化而導(dǎo)致的層裂和分層現(xiàn)象。

42、latp和lazzo材料在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性，使得固態(tài)電池在各種環(huán)境條件下都能穩(wěn)定工作，適應(yīng)性更廣。

43、高導(dǎo)電率的nasicon型固態(tài)電解質(zhì)材料與高容量的鋰化合物正極結(jié)合，能夠顯著提高電池的能量密度，適用于需要高能量存儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。

44、latp和lazzo材料的合成工藝成熟，成本相對(duì)較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。采用這些材料制造的固態(tài)電池不僅性能優(yōu)越，而且具有良好的成本效益。

45、進(jìn)一步地，所述正極活性材料為鈉化合物，所述nasicon型固態(tài)電解質(zhì)包括natp和/或nazzo。

46、natp(na1+xalxti2-x(po4)3)和nazzo(na1+xalxzr2-x(po4)3)是nasicon型固態(tài)電解質(zhì)，具有較高的鈉離子導(dǎo)電率。這些材料的使用能夠顯著提高固態(tài)鈉電池的整體離子導(dǎo)電性能，從而提高電池的充放電效率。

47、natp和nazzo材料具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在高電壓下保持穩(wěn)定，不易分解或反應(yīng)。這種穩(wěn)定性確保了電池在高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命下的可靠性。

48、鈉化合物作為正極活性材料，與natp和nazzo的化學(xué)兼容性好，能夠形成穩(wěn)定的界面。這種兼容性減少了界面阻抗，改善了電池的電化學(xué)性能，并防止界面處的副反應(yīng)。natp和nazzo作為固態(tài)電解質(zhì)材料，具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在高溫和高壓下保持穩(wěn)定，防止電池?zé)崾Э睾蛢?nèi)部短路，提高了電池的安全性能。

49、固態(tài)電解質(zhì)層能夠有效抑制鈉枝晶的生長(zhǎng)，防止其穿透隔膜導(dǎo)致的短路問題。natp和nazzo材料的致密結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了這種抑制效果，提高了電池的安全性和壽命。

50、natp和nazzo固態(tài)電解質(zhì)材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能，能夠提供足夠的機(jī)械支撐，防止電池在循環(huán)過程中因體積變化而導(dǎo)致的層裂和分層現(xiàn)象。

51、natp和nazzo材料在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性，使得固態(tài)鈉電池在各種環(huán)境條件下都能穩(wěn)定工作，適應(yīng)性更廣。

52、高導(dǎo)電率的nasicon型固態(tài)電解質(zhì)材料與高容量的鈉化合物正極結(jié)合，能夠顯著提高電池的能量密度，適用于需要高能量存儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。natp和nazzo材料的合成工藝成熟，成本相對(duì)較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。采用這些材料制造的固態(tài)鈉電池不僅性能優(yōu)越，而且具有良好的成本效益。

53、鈉資源豐富且分布廣泛，鈉化合物作為正極材料比鋰更具環(huán)保優(yōu)勢(shì)。使用natp和nazzo作為電解質(zhì)的鈉電池能夠減少對(duì)鋰資源的依賴，具有更好的環(huán)境可持續(xù)性。

54、本發(fā)明的第二目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

55、一種固態(tài)電池的制備方法，

56、步驟一：將正極活性材料、導(dǎo)電劑、導(dǎo)離子劑和粘結(jié)劑經(jīng)過攪拌、涂布、對(duì)輥后制成正極，將負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑、導(dǎo)離子劑和粘結(jié)劑經(jīng)過攪拌、涂布、對(duì)輥后制成負(fù)極；

57、步驟二：

58、a、首先，取dmac于容器中攪拌；

59、b、接著，加mpi，邊加邊攪拌；

60、c、接著，加入nasicon型固態(tài)電解質(zhì)，便加邊攪拌；

61、d、密封攪拌4～12小時(shí)，加溫40～60℃，抽真空去泡，組成配比為：mpi占5％-30％，dmac占20％-80％，nasicon型固態(tài)電解質(zhì)占15％-50％的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)裝入專用容器形成復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，備下道工序使用；

62、步驟三：把步驟二的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)均勻涂布到正極表面上，厚度2-10微米，溫度設(shè)定100～150℃之間，烘干后，經(jīng)過輥壓，收成卷料，備下道工序使用，把步驟二的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)均勻涂布到負(fù)極表面上，厚度2-15微米，溫度設(shè)定100～150℃之間，烘干后，經(jīng)過輥壓，收成卷料，備下道工序使用；

63、步驟四：把步驟三做好的正極和負(fù)極采取正負(fù)交替的疊片方式組裝成電芯在60-120℃的高溫下對(duì)電池進(jìn)行充電化成處理。

64、通過在復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中加入mpi，提供了必要的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，使電解質(zhì)層在高溫和壓力下保持穩(wěn)定，不易破裂或變形。

65、nasicon型固態(tài)電解質(zhì)的加入顯著提高了電池的離子導(dǎo)電性能，確保電池在充放電過程中的高效運(yùn)作。

66、dmac作為溶劑，能夠有效溶解和分散其他成分，使復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)均勻分布在正極和負(fù)極表面，確保電池性能的均一性和穩(wěn)定性。

67、通過均勻涂布和烘干工藝，復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)能夠在電極表面形成致密、均勻的電解質(zhì)層，提高了電極與電解質(zhì)之間的接觸性能，降低了界面阻抗，提升了電池的整體性能。

68、輥壓工藝的應(yīng)用使得電解質(zhì)層更加致密，減少了電池的內(nèi)部電阻，提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。

69、固態(tài)電解質(zhì)層的形成消除了傳統(tǒng)液態(tài)電解液的易燃性風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)nasicon型固態(tài)電解質(zhì)的使用進(jìn)一步提升了電池的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

70、步驟清晰明確，通過標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，使生產(chǎn)過程更加簡(jiǎn)便高效，有助于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性，降低生產(chǎn)成本。

71、取消了傳統(tǒng)電解液的使用，減少了生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境的污染和有害物質(zhì)的排放，符合綠色環(huán)保的要求。

72、在60至120℃的高溫下進(jìn)行化成處理，使固態(tài)電解質(zhì)與電極材料更好地接觸，提高了電池的性能和循環(huán)壽命。

73、本發(fā)明的有益效果如下：

74、本發(fā)明通過采用改性正極和改性負(fù)極，以及復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，不僅提升了電池的安全性和性能，還優(yōu)化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性，適用于大容量、高功率電池的生產(chǎn)。

75、本發(fā)明，通過設(shè)定mpi、dmac和nasicon型固態(tài)電解質(zhì)的合理配比，提升了固態(tài)電池的整體性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、離子導(dǎo)電率和電解質(zhì)層的均勻性，使得本發(fā)明的固態(tài)電池在安全性、效率和壽命方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

76、本發(fā)明，通過設(shè)定固態(tài)電解質(zhì)層的厚度為2-20微米，本發(fā)明的固態(tài)電池在離子導(dǎo)電性能、能量密度、機(jī)械強(qiáng)度、制造工藝、安全性和循環(huán)壽命等方面均得到了優(yōu)化，適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景，顯著提升了電池的整體性能。

77、本發(fā)明，通過使用鋰化合物作為正極活性材料，并結(jié)合latp和/或lazzo作為nasicon型固態(tài)電解質(zhì)，本發(fā)明的固態(tài)電池在離子導(dǎo)電率、電化學(xué)穩(wěn)定性、界面兼容性、安全性、機(jī)械性能和適用性等方面都得到了顯著提升，為高性能固態(tài)電池的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

78、本發(fā)明，通過使用鈉化合物作為正極活性材料，并結(jié)合natp和/或nazzo作為nasicon型固態(tài)電解質(zhì)，本發(fā)明的固態(tài)鈉電池在離子導(dǎo)電率、電化學(xué)穩(wěn)定性、界面兼容性、安全性、機(jī)械性能和適用性等方面都得到了顯著提升，為高性能固態(tài)鈉電池的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

79、本發(fā)明的固態(tài)電池制備方法，通過優(yōu)化材料配比和生產(chǎn)工藝，不僅提高了電池的性能和安全性，還簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，提高了環(huán)境友好性，為高性能固態(tài)電池的應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。