[发明专利]锂电池及锂离子电池用电极、固体电解质膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种锂电池及锂离子电池用电极、固体电解质膜的制备方法。

背景技术

随着微电子机械系统和超大规模集成电路技术的发展，对能源的微型化、集成化提出了越来越高的要求，民用电子器件如传感器、智能卡、便携式电子设备等众多领域的迅猛发展，也对化学电源的小型化、微型化和薄膜化提出了更高的要求，微型化学电源的研制成为新的热点。相对于其他的化学电源，锂离子电池的高比能量使其在微型电源中扮演重要角色，而薄膜电极的制备是微型电池制造的关键之一。制备薄膜锂离子电极的方法包括溅射法、蒸发法等物理气相沉积方法、化学气相沉积（传统的化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积法）、溶胶凝胶旋转涂膜、水热法、喷墨打印法等。尽管磁控溅射方法目前制备出的LiCoO₂薄膜正极己经具有较高的能量密度和优异的循环性能，但是仍然存在制备工艺较为复杂，设备繁琐、体积较大，对制备条件要求高，成本较昂贵等问题；蒸发法所制备电极也对设备要求较高，且时间长；溶胶凝胶旋转涂膜相对工艺设备简单、可以有效地控制薄膜的组分及结构，可以大面积制膜以及用料省成本较低，但是该方法需要用到较多的有机溶剂；喷墨干燥法既灵活、方便又精确地控制所制备电极、电池的大小、形状和厚度，该方法也需要较多的有机溶剂，制墨工艺复杂，而且需要多次打印才能实现理想厚度。

发明内容

为了解决现有方法制备的薄膜电极设备要求高、工艺复杂、能耗高、有机溶剂污染的问题，本发明提供了一种利用激光打印技术制备锂电池及锂离子电池用电极、固体电解质膜的方法。

本发明的锂电池及锂离子电池用电极的制备方法按以下步骤进行：

将活性物质、导电剂和粘结剂按照一定比例称重，混合均匀后的物质转移至激光打印墨盒内。根据所需制备电极的面积调整集流体的大小，利用计算机控制即可激光打印得到所要制备的电池正极或者负极以及该方法制备组装的电池。通过打印次数等条件可以随意控制所需电极的大小和厚度。

上述电池活性物质与导电剂、粘结剂的质量比为活性物质：导电剂：粘结剂= 1：（0-0.2）：（0.05-0.2）。

上述活性物质采用现有电极活性物质，如钴酸锂、锰酸锂、三元材料、富锂锰材料、石墨、硬碳。

正极活性物质至少包括下述活性物质的一种：Li_xM_yO_z（M为Ni、Co、Mn、Al、Ti、Mg、Cr或其中一种成分以上组成的物质）、Li_xM_yPO₄（M为Mn、Fe、Ni、V或其中一种成分以上组成的物质）、Li_xM_ySiO₄（M为Mn、Fe、Ni、Mg、Cr或其中一种成分以上组成的物质）。其中0.2≤x≤2，0.2≤y≤2，1≤z≤10。

负极活性物质为碳、石墨、石墨烯、中间相碳微球、碳纤维、M_xO_y（M为Sn、Cu、Co、Ti、Si、Fe或其中一种成分以上组成的物质）或者包含至少一种以上物质，其中1≤x≤10，1≤y≤20。

上述导电剂为乙炔黑、炭黑、超级导电炭黑、石墨烯、碳管、碳纤维中的一种或几种的混合物。

上述粘结剂为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素钠、丁苯烯橡胶、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸钠、聚氧化乙烯中的一种或几种的混合物。

上述集流体为金属箔、金属网、镀金属纸或镀金属树脂胶片。

本发明的锂电池及锂离子电池用固体电解质膜的制备方法按以下步骤进行：

按照一定比例将锂离子导体、作为支持体的其他金属氧化物、粘结剂按照一定比例称重，混合均匀后的物质转移至激光打印墨盒内。根据所需制备电池电极的大小调整电解质膜的大小，利用计算机控制即可激光打印得到所要制备电解质膜以及该方法制备组装的电池。通过打印次数等条件可以随意控制所需电解质膜的大小和厚度。

上述电解质膜制备时活性物质、支持体、表面活性剂、粘结剂的质量比为活性物质：支持体：表面活性剂、粘结剂= 1：（0-0.2）：（0.05-0.2）：（0.05-0.2）。