淺析溶液浸入工藝制備全固態(tài)鋰離子電池

隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)能量密度的追求也越來(lái)越高，在國(guó)家最新公布的新能源汽車的指導(dǎo)方針中提出，到2020年，動(dòng)力電池的單體比能量要達(dá)到300Wh/kg，這一指標(biāo)要在現(xiàn)有的鋰離子電池體系上實(shí)現(xiàn)非常困難。在剛剛召開的第三屆新型電池正負(fù)極材料技術(shù)估計(jì)論壇上，來(lái)自美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的劉俊研究員提出，未來(lái)開發(fā)比能量達(dá)到500Wh/kg的電池主要有兩種方法：高鎳NCM和金屬鋰體系，另一個(gè)是鋰硫電池體系，無(wú)論是采用那種辦法，我們無(wú)法都無(wú)法避開金屬鋰。金屬鋰作為鋰離子電池最大的問(wèn)題是鋰枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)問(wèn)題，目前雖然有研究顯示醚類溶劑電解液能夠有效的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，但是由于醚類化合物的分解電壓較低，并且具有很強(qiáng)的可燃性，因此難以在商業(yè)鋰離子電池中應(yīng)用，從目前來(lái)看，對(duì)于采用金屬鋰負(fù)極的鋰離子電池而言，全固態(tài)電解質(zhì)是較為可行的辦法，固態(tài)電解質(zhì)具有較高的彈性模量能夠很好的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)，因此能夠有效的提高金屬鋰電池的循環(huán)壽命和安全性能。

目前固態(tài)電解質(zhì)主要分為兩大類：無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)和有機(jī)聚合電解質(zhì)，這其中以硫化物固體電解質(zhì)最具吸引力，因?yàn)槠渚哂懈叩匿囯x子電導(dǎo)率(10-2S/cm)和良好的柔性特點(diǎn)，但是硫化物固體電解質(zhì)容易與極性溶劑發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)其微?；奶卣饕矔?huì)導(dǎo)致正負(fù)極勻漿困難。為了解決這一問(wèn)題，來(lái)自韓國(guó)蔚山大學(xué)的Dong Hyeon Kim，提出了一種可以規(guī)?；苽淙虘B(tài)電池的新方法，該全固態(tài)電池的正負(fù)極均采用了傳統(tǒng)鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，利用Li6PS5Cl(LPSCl)的乙醇或者0.4LiI-0.6Li4SnS4的甲醇溶液對(duì)傳統(tǒng)的鋰離子電池電極進(jìn)行浸潤(rùn)，該電池表現(xiàn)出了較高的可逆容量，正極LiCoO2達(dá)到了141mAh/g，負(fù)極石墨材料則達(dá)到了364mAh/g(0.1C，30℃)，同時(shí)該電池在100℃下，也表現(xiàn)出了很好的電化學(xué)性能，表明該電池具有很好的熱穩(wěn)定性和安全性。

傳統(tǒng)的固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)都需要采用較為繁復(fù)的干混過(guò)程混合活性物質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)和導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑，但是在實(shí)際過(guò)程中我們更希望能夠采用濕混工藝混合這些電極組份，但是由于固態(tài)電解質(zhì)與極性溶劑具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性，因此傳統(tǒng)的鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中采用的極性溶劑無(wú)法應(yīng)用在全固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)中，因此我們需要開發(fā)一種非極性溶劑用于全固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)，例如甲苯、二甲苯，同時(shí)傳統(tǒng)的粘結(jié)劑，如PVDF、CMC、SBR等也不適合全固態(tài)電解質(zhì)，因此還需要開發(fā)合適的粘結(jié)劑。此外，對(duì)于鋰離子電池而言勻漿過(guò)程需要將三種物質(zhì)混合均勻(活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑)，而對(duì)于全固態(tài)電池，這其中還要加入固態(tài)電解質(zhì)，不僅僅要考慮電極的電子導(dǎo)電性，還要兼顧電極的離子導(dǎo)電性。總的來(lái)說(shuō)全固態(tài)電解質(zhì)電極制備過(guò)程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋰離子電池的電極制備復(fù)雜。

為了使全固態(tài)鋰離子電池的電極各個(gè)組份能夠均勻的混合，Dong Hyeon Kim等人首先利用傳統(tǒng)工藝獲得了鋰離子電池電極極片，然后將固體電解質(zhì)Li6PS5Cl和0.4LiI-0.6Li4SnS4分別制成乙醇和甲醇溶液，將鋰離子電池極片浸入到上述溶液中，然后進(jìn)行干燥和碾壓，該工藝保證了固體電解質(zhì)與活性物質(zhì)之間均勻的混合，保證了電池良好的電化學(xué)性能。正極LiCoO2的可逆容量達(dá)到了141mAh/g，負(fù)極石墨材料則達(dá)到了364mAh/g(0.1C，30℃，半電池)，同時(shí)該電池在100℃下，也表現(xiàn)出了很好的電化學(xué)性能，表明該電池具有很好的熱穩(wěn)定性和安全性。