[发明专利]一种3D打印固态电池及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种3D打印固态电池及其制备方法和应用。所述3D打印固态电池包括正极极片、负极极片和处于所述正极极片和所述负极极片之间的固态电解质；按照质量分数计所述正极极片的原料包括70～80％正极活性材料、5～10％电子导电剂、2～10％离子导电剂、2～4％LiTFSI、1.5～5％聚偏二氟乙烯、4～6％聚氧化乙烯和正极溶剂；所述正极极片的原料占所述正极溶剂的固含量为20～50％。本发明采用3D打印技术，设计出具有精密表面形貌和内部结构的固态电解质，改善电解质与电极间的界面接触，提高电极与电解质间的离子转移，此外，与添加聚氧化乙烯的聚合物复合正极结合，提高了正极与固态电解质之间的锂离子传输。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，涉及一种3D打印固态电池及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，由于对能源的需求与日俱增，电化学储能成为应用最广的储能技术。其中，锂离子电池因能量密度高和循环寿命长的特点成为研究的焦点之一。随着对锂离子电池技术的不断优化，对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的需求。由于较高的比容量和低电化学势，使用锂金属代替石墨负极，理论上能量密度可以提升约50％。目前传统的锂离子电池仍采用有机液态电解质，虽然离子电导率高、电极润湿性较好，但其具有易燃、易爆、易泄露的特点，容易生成锂枝晶刺穿隔膜引发电池短路，导致电池存在较大的安全隐患。如果电池使用锂金属负极与液态电解质，安全问题将变得更加突出。锂金属本身在有机电解液中热力学不稳定，此外，在充电期间，锂离子从外部电路获得电子，然后以金属-锂颗粒的形式直接沉积在负极表面或下方，枝晶更容易生长引起电池短路，导致起火爆炸，阻碍锂金属电池的进一步发展。

因此，为了解决锂金属电池的安全问题，固态电池在下一代锂电池方向有着广阔的发展前景。与液态电解质相比，固态电解质具有无挥发、不易燃烧、不会漏液、结构稳定性高的特点，安全性能较好。然而，液态电解质可以有效润湿正负极界面，但固态电解质与电极间存在空隙使界面阻抗增大，而且固态电解质离子电导率较低，这些问题是固态电解质商业化应用的主要障碍。因此，开发新的电解质-电极结构有利于固态电解质性能的提升和固态电池的实际应用。

CN111584940A公开了一种提高固态电解质与金属负极界面稳定性的方法，所述方法包括在表面处理后的固态电解质旋涂前驱体溶液，干燥后置于惰性气氛下于400～500℃下烧结4～8h，在固态电解质与金属负极界面生成AIF界面修饰层。但是所述发明在烧结之后，界面修饰层会存在与金属负极界面贴合不紧密的缺点，因此会提高界面阻抗。

CN110518278A公开了一种具有负极界面层的固态电解质及制备方法和固态电池，固态电解质表面具有一层液态金属合金层，所述液态金属合金层对固态电解质与锂金属负极接触的负极界面进行修饰改性，将固态电解质组装成固态电池后，凭借液态金属合金层的过渡作用，可以提高锂金属负极与固态电解质材料界面之间的固-固相容性问题，降低界面电阻，但是添加电解液量不足会导致电池循环后期跳水，而电解液量过多又会降低电池安全性能。并且固态电解质难以与电解液兼容，两者接触会发生一定的化学反应，因此，添加电解液的方案只能作为一种过渡方案，长期使用中是会被替代的。

CN108493483A公开了一种固态电解质膜电芯层结构界面处理方法、锂电芯结构，包括以下步骤：提供固态电解质膜；在固态电解质膜上形成电极活性材料层以形成预电芯层结构；以预定热压合温度以及预定压制压力，对预电芯层结构进行热压合处理，预定热压合温度及预定压制压力为固态电解质膜由固相变为流动相的临界温度及临界压力。但是在外部压力下，可能会发生材料的破裂与电性能的衰退，不利于电池的长时间循环。

如何制备一种电解质与极片界面阻抗低，高离子电导率的固态电池，是本领域重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印固态电解质与添加聚氧乙烯的聚合物复合正极结合，来制备一种固态电池。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：