[其他]固态锂电池阴极的组成及制备方法

说明书

本发明旨在提供用于全固态锂电化学电解槽的新型阴极及其制造方法，本发明尤其涉及多层电化学锂电解槽的阴极层，该种电解槽具有聚合物电解质层，含有氧化钒的阴极层，和锂或锂铝合金的阳极层。

电化学电解槽一直为多种材料制造。其电极及非导电层一直是由塑料，金属及其他材料制造的。电解质通常都是液体，但是现在人们都希望用固态物质，比如聚合物来制造锂电池。

固态电池将避免由液态电解质电解槽带来的许多问题，比如电解液渗漏，干枯，阳极钝化，结晶等。另外，由于所有组件均为固态，所以简化了电解槽的制造并使之成了一个机械性的坚固的装置。适宜的操作温度可克服高温熔盐电解质或熔化的电极带来的腐蚀，密封等严重问题。很清楚，固态电池比液态电解质或糊状电解质电池可取之处更多。

制造锂电池时最好用聚合物/无机复合材料做阴极层和电解质层。这些夹层通过连续浇注和溶剂蒸发形成薄膜状，用这种方法可以通过常规方法生产出25-50微米厚的大面积薄片。这一技术通常称为“刮片”技术，它导致产生了电解质层，该电解质层无小孔，多次使用后仍保持完好，并有极好的界面特性。

最近，哈威尔（Harwell）试验室和欧旦斯（odense）大学能源研究试验室对锂电池共同进行了研究，重点是关于由各种锂盐和聚环氧乙烷复合而成的聚合物电解质问题。这种电解槽阴极的材料主要是V₆O₁₃，阳极最理想的是用锂金属箔或者是锂/铝箔。具体说，阴极是将磨碎的氧化钒与乙炔黑在电解质溶液里直接混合而形成的合成结构。电解质溶液含有聚环氧乙烷，当合成的阴极层淀积为薄膜时，它含有不规则的聚合物、碳和氧化钒的颗粒结块。据说这样制造的锂电解槽在电流密度，材料利用及再生性方面都有所改进。人们建议这些电解槽可用于牵引车辆的电池之中，可参见胡波（Hoper，A，et al.，）写的“先进电池发展”一文（一九八四年欧旦斯大学学报）。

现已发现，使用新颖的阴极结构可使锂电解槽的特性大幅度提高。特别是本发明旨在提供一个以V₆O₁₃为基础的复合阴极，它可增大表面积，提高性能特点，延长寿命。

通过以聚合物封装的氧化钒球体层做固态电池阴极层，可达到上述目的。理想的聚合物，聚环氧乙烷，含有更多的锂盐和活性碳。这些球体呈乳胶状，可做为导电衬底层。

结合本文下列附图说明，很容易理解本发明的性质和特点。

图1表明，该发明的聚合物球体存在于夹层中，即每一球体与其邻近球体接触而形成电子网络。

图2表明以聚合物球体层做阴极的固态锂电池。

当然，应当知道本文的附图和叙述只是一个图解，在不改变本发明基本精神的前提下，对于所公开的结构可做多种改型和变更。

固态锂电池包括一个阳极层，一个阴极层和一个聚合物非导电层。由片、卷、带等形式组成的这种三层结构体构成了一个简单的电解槽或电池。这种结构可以应用各种不同的附加层，包括引导电流底层、绝缘层和/或双相电极连接。这种简单电池可以连接组合在一起形成多电解槽电化学装置。

尤其是电化学电解槽被制成活性面积为0.75平方厘米的夹层盘式。然而，也可在中心轴上采用“瑞士绕法”（swiss-roll）技术制得其面积约为85～200平方厘米的大面积电解槽，或采用“六角手风琴式”（concertina）结构，在两块不锈钢板之间夹入上述大面积电解槽。这两种方法在本领域是广为人知的。

层状结构的阴极层和电解质层是将所谓“刮片”技术用于某种聚合物薄膜来生产的。按这一方法，在适当的溶剂中制备聚合物（或者与无机材料复合的聚合物）溶液并在垫板上浇制成膜状，如同腊纸通过安在平台一端的容器下方一样。容器正面的高低可以调整。刮片和纸之间的间隙决定了浇制薄膜的厚度。溶剂的挥发可使薄膜厚度均匀减少，减薄的程度取决于溶液的浓度。这一制造薄膜片的技术对于本领域的工作人员是很熟悉的。用此方法可产生25-50微米厚的薄膜。

锂电池的阳极层包括有一个锂金属箔或者锂/铝合金箔。电池等级为350微米厚的锂箔以前曾在电化学锂电解槽中使用过。使用这种箔需用大大超量的锂。最好是用锂铝合金的薄阳极。该合金是通过把铝箔在锂盐溶液里进行阴极还原制成的。淀积在箔表面的锂可在铝箔表面达到10-20微米厚，使铝箔厚度的一多半保持不改变，可以使阳极层结构的完整性得以保持。在铜箔上压焊上铝、比如80微米的铜箔和20微米的铝箔，同样可做阳极。然后，通过在含有锂盐非水液态电解质里把铝箔进行电化学转换的办法来制造阳极。两种阳极结构都适用于制造大面积薄膜电池。