[发明专利]一种低孔隙率正极极片、其制备方法及其在固态锂金属电池中的应用

说明书

本发明涉及一种适用于固态电池的低孔隙率正极极片制备方法及其固态锂金属电池。所述正极极片由活性材料、导电剂、粘结剂(具备锂离子导通能力)和集流体构成，其特点在于，其中的正极活性材料为一次颗粒或大单晶，其典型尺寸为50nm～30μm；粘结剂与导电剂、集流体协同作用，保障极片内部离子、电子通道的完整性；且极片孔隙率＜20％。该极片由于自身为离子、电子提供了传输通道，因此与固态电解质间界面接触良好，适用于固态锂金属电池。

技术领域

本发明涉及电池极片及锂金属电池制造技术领域，尤其涉及一种低孔隙率正极极片、其制备方法及其在固态锂金属电池中的应用。

背景技术

随着经济社会的发展，锂离子电池已成为日常生活的必需品之一，其能量密度、安全性及成本也逐渐成为整个社会最为关注的热点问题。

目前的锂离子电池大多采用过渡金属氧化物正极、石墨负极及液态电解质。一方面，由于石墨的比容量较低，电池能量密度几乎无法突破上限300Wh/kg 的上限；另一方面，由于电解质多大采用闪点较低的有机溶剂，高温下有泄露、燃烧风险，电池安全性没有保障。

固态锂金属电池是解决上述问题的最有效途径，近年来固态电解质相关研究得到了很好的结果，而正极/电解质界面已逐渐成为制约锂金属电池向实用化发展的瓶颈。如何解决正极与固态电解质的相容性问题、降低界面阻抗，已成为学界和工业界的研究热点。如CN201710357012.3公布了一种原位制备塑晶改性固态电池用正极的方法，通过将塑晶、锂盐、聚合物、无机填料以及有机溶剂混合，通过加热或辐照进行原位聚合，获得的塑晶/聚合物复合凝胶与正极材料和导电剂混合、涂敷、烘干，得到具有较低界面阻抗的正极。CN201810231238.3 和CN201710462747.2则采用了将电池加热到电解质熔点以上、促进电解质渗入正极内部的做法。在CN201880008286.4公布的方法中，他们将粒度较小的电解质(硫化物)颗粒掺入极片内部，并通过施加压力，促进电解质与正极材料界面的融合，同时，为了减少正极材料对电解质的氧化，他们还对正极材料进行了包覆。

然而无一例外的，上述发明并没有对极片，尤其是正极极片的孔隙率做深入探讨，在CN201880009551.0中，针对Si负极在循环过程中的体积变化，发明人对极片孔隙率做了比较多的探讨。而对正极来说，更多的则是如何解决其与电解质间界面阻抗的问题，尤其是在实际应用中，由于面容量较高(典型的， 2mAh/cm²以上)，锂离子、电子在正极中的输运将成为固态电池性能的决定因素，针对这一问题，本发明提供了一种低孔隙率正极极片的组成、制备方法及其锂金属电池的解决方案。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种低孔隙率正极极片的组成、制备方法及其锂金属电池的解决方案，有望在加大电极面密度、减少电解质占比、从而提升电池能量密度的同时保障电池性能。

第一方面，本发明提供了一种适用于固态锂金属电池的正极极片及其制备方法，所述极片由活性物质、导电剂、具有锂离子传输功能的粘结剂组成的涂层涂覆在集流体上组成，其特点在于，其孔隙率低于20％。

具体的，所述活性物质为颗粒尺寸在50nm～30μm的磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、镍锰酸锂(LNMO)或三元材料(NCM)一次颗粒或大单晶，颗粒内部由于晶体缺陷造成的孔隙率＜2％(vol，体积分数)，且其占涂层的质量占比在 50％～95％之间。

优选的，其质量占比在60％～90％之间。

所述导电剂为导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、还原氧化石墨烯和石墨烯中至少2种的组合，其质量占比在涂层中占2％～20％。

优选的，导电剂至少包含碳纳米管或碳纳米纤维中的一种，并与导电石墨、导电炭黑、还原氧化石墨烯和石墨烯中至少1种进行组合。