電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前鋰電池大多所使用的電解質(zhì)包含易揮發(fā)和易燃燒的有機(jī)溶劑。為了制造更高輸出電壓、更高能密度和更大尺度的電池，就需要使用含大量有機(jī)溶劑的電解質(zhì)。而電池中的有機(jī)電解質(zhì)導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)和電解質(zhì)泄漏時(shí)有發(fā)生。要克服這些安全問題和制造出可靠的電池，最有效的方法就是以不燃的固體電解質(zhì)代替易燃的液體電解質(zhì)。全固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)電池相比，除了有較高的能量外，還避免了酸堿等液體電解質(zhì)對(duì)容器的腐蝕，并且具有無(wú)泄露、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，而且使用溫度范圍寬，使得鋰電池的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、航天、生物以及人體等多種特殊要求的工作環(huán)境，它將越來(lái)越影響和改變?nèi)藗兊纳睢?br>[0003]綜上所述，用于全固態(tài)鋰電池的開發(fā)利用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池的制備方法，包括如下步驟:
將LiMn204、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)、招粉混合均勾，熱壓形成一正極預(yù)制體；
將Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)、招粉混合均勾，熱壓形成一負(fù)極預(yù)制體；
將所述兩片正極預(yù)制體及負(fù)極預(yù)制體分別放置于集流體鋁箔兩側(cè)熱壓分別形成正極片及負(fù)極片；
在正極片或負(fù)極片的至少一表面形成一固體電解質(zhì)層；
將正極片和負(fù)極片交替疊放，使固體電解質(zhì)層與所述正極片和負(fù)極片形成夾層結(jié)構(gòu)，熱壓后形成一電池預(yù)制體；以及
去除電池預(yù)制體中的水分，并鋁塑膜密封得到所述全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池。
[0005]進(jìn)一步的，所述正極預(yù)制體中LiMn2O4、導(dǎo)電齊U、固體電解質(zhì)和招粉的質(zhì)量比為10:0.1?1.0:0.5?1.5:0.5?1.5。
[0006]進(jìn)一步的，所述正極預(yù)制體中LiMn2O4、導(dǎo)電齊U、固體電解質(zhì)和招粉的質(zhì)量比為10:0.3?0.7:0.8?1.2:0.8?1.2。
[0007]進(jìn)一步的，所述負(fù)極預(yù)制體中Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.1-1.0:0.5-1.5:0.5-1.5。
[0008]進(jìn)一步的，所述負(fù)極預(yù)制體中Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.3?0.7:0.8?1.2:0.8?1.2。
[0009]進(jìn)一步的，所述固體電解質(zhì)層通過(guò)磁控濺射方法形成。
[0010]進(jìn)一步的，將所述正極預(yù)制體及負(fù)極預(yù)制體加熱到660°C ~680°C使鋁粉熔解分別形成正極片及負(fù)極片。
[0011]本發(fā)明還提供一種全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池，包括: 正極片，包括均勻混合的LiMn204、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)以及金屬鋁，其中，金屬鋁粘結(jié)于LiMn2O4、導(dǎo)電劑以及固體電解質(zhì)之間；
負(fù)極片，包括均勻混合的Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)以及金屬鋁，其中，金屬鋁粘結(jié)于Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑以及固體電解質(zhì)之間；
夾層為所述正極片和負(fù)極片之間的固體電解質(zhì)層。
[0012]進(jìn)一步的，所述正極片中LiMn2O4、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和金屬鋁的質(zhì)量比為10:0.1?1.0:0.5?1.5:0.5?1.5。
[0013]進(jìn)一步的，所述負(fù)極片中Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.1?1.0:0.5?1.5:0.5?1.5。
[0014]本發(fā)明提供的一種全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池不僅具有較高能量外，通過(guò)金屬鋁作為正極片和負(fù)極片的粘結(jié)劑，還可以使上述電池具有良好的循環(huán)性能和安全性能。此夕卜，本發(fā)明的制備方法，還具有制程簡(jiǎn)單，容易工業(yè)化引用等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的制備全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池的流程圖。
[0016]圖2為由本實(shí)施例1得到的全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池的循環(huán)測(cè)試曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0018]請(qǐng)參照?qǐng)D1，一種全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O1^池的制備方法，包括如下步驟:
SI，將LiMn204、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)、招粉混合均勾，熱壓形成一正極預(yù)制體；
S2，將Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)、招粉混合均勾，熱壓形成一負(fù)極預(yù)制體；
S3，將所述兩片正極預(yù)制體及負(fù)極預(yù)制體放置在集流體鋁箔兩側(cè)并熱壓分別形成正極片及負(fù)極片；
S4，在正極片或負(fù)極片的至少一表面形成一固體電解質(zhì)層；
S5，將正極片和負(fù)極片交替疊放，使固體電解質(zhì)層位于所述正極片和負(fù)極片之間，熱壓后形成一電池預(yù)制體；以及
S6，去除電池預(yù)制體中的水分，并鋁塑膜密封得到所述全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池。
[0019]在步驟SI中，所述正極預(yù)制體中LiMn2O4、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.1-1.0:0.5-1.5:0.5~1.5 ;優(yōu)選的，所述正極預(yù)制體中LiMn2O4、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.3-0.7:0.8-1.2:0.8-1.2 ;更優(yōu)選的，所述正極預(yù)制體中LiMn2O4'導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.4-0.6:0.9-1.1:0.9-1.1。在所述正極預(yù)制體中加入鋁粉的目的是為了做LiMn2O4、導(dǎo)電劑的固體電解質(zhì)的粘結(jié)劑。所述固體電解質(zhì)可以為鋰離子導(dǎo)體，如 β _Al203、LiP0N、Li2S-P2S5玻璃、Li 1QGeP2S12、NASICON、LISIC0N、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Li3xLa1 3xTi03(LLT，0〈x〈0.16)等固體電解質(zhì)體系。所述導(dǎo)電劑可以是活性炭、導(dǎo)電炭黑、碳納米管、石墨烯或其它類型的導(dǎo)電添加劑。
[0020]在步驟S2中，所述負(fù)極預(yù)制體中Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.1-1.0:0.5-1.5:0.5~1.5 ;優(yōu)選的，所述負(fù)極預(yù)制體中Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.3-0.7:0.8-1.2:0.8-1.2 ;更優(yōu)選的，所述負(fù)極預(yù)制體中Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑、固體電解質(zhì)和鋁粉的質(zhì)量比為10:0.4-0.6:0.9-1.1:0.9-1.1。在所述負(fù)極極預(yù)制體中加入鋁粉的目的是為了做Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑的固體電解質(zhì)的粘結(jié)劑并提高整個(gè)極片的導(dǎo)電性。
[0021]在步驟S3中，優(yōu)選的，在真空氛圍或惰性氣體氛圍中加熱，從而防止氧化。另外，所述加熱溫度大于等于鋁粉的熔點(diǎn)，即，大于等于660°C即可。為了不破壞固體電解質(zhì)，Li4Ti5O12以及LiMn2O4的結(jié)構(gòu)，所述加熱溫度為660°C ~680°C。優(yōu)選的，所述加熱溫度為6600C -6700C。更優(yōu)選的，所述加熱溫度為660°C -665°C。由于加熱溫度大于鋁粉熔點(diǎn)，故，正極預(yù)制體的鋁粉會(huì)熔化，從而粘結(jié)于LiMn2O4、導(dǎo)電劑的固體電解質(zhì)之間?？梢岳斫猓鲐?fù)極預(yù)制體中的鋁粉也會(huì)熔化，從而粘結(jié)于Li4Ti5O12、導(dǎo)電劑的固體電解質(zhì)之間。進(jìn)一步的，所述加熱時(shí)間優(yōu)選為10分鐘到60分鐘。更進(jìn)一步的，包括一退火的步驟，所述退火溫度為400°C ~600°C，退火時(shí)間為I小時(shí)到2小時(shí)。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)退火處理可以獲得更穩(wěn)定的正極片和負(fù)極片。更優(yōu)選的，所述退火溫度為500°C ~600°C。
[0022]在步驟S4中，可以在所述正極片或負(fù)極片的至少一表面形成一固體電解質(zhì)層。所述固體電解質(zhì)層可以通過(guò)磁控濺射方法或其它方法形成。所述固體電解質(zhì)層的厚度可以根據(jù)實(shí)際需要選擇，一般為I微米到10微米。優(yōu)選的，所述固體電解質(zhì)層的厚度為2微米到5微米。更優(yōu)選的，所述固體電解質(zhì)層的厚度為2微米到4微米，從而可以顯著提高電池的充放電性能。
[0023]在步驟S5中，所述熱壓溫度為600 °C -660 °C。
[0024]在步驟S6中，可以通過(guò)真空干燥法，加熱干燥法或其他方法去除電池預(yù)制體中的水分，并通過(guò)鋁塑膜密封得到所述全固態(tài)LiMn2O4-Li4Ti5O12電池。
[0025]本發(fā)明還提供一種全固態(tài)LiMn