全固态锂离子电池,是公认的下一代高能量密度和安全储能技术的有力候选者。
由于采用的是无电解液体系,它不存在传统使用有机溶剂电解液的锂离子电池的泄漏产气所产生的热失控风险,因而目前在电池安全性研究中广泛采用固体电解质方案。
固态锂电池现有正极涂层解决方案
在全固态锂离子电池的正极涂层中,电解质颗粒与正极颗粒之间的接触属于固体与固体之间的物理接触,其接触情况会显著影响固态电池的性能。
现有技术中,主要是通过向复合正极层施加外界压力,如热压、辊压等,提升电解质颗粒与正极颗粒的接触。
其中,物理加压的方法虽然能在一定程度上提升电池容量(尤其是循环前期的容量),但是这种方法也加剧了正极颗粒与电解质颗粒之间的副反应,导致界面阻抗变大,接触变差,最终全固态锂离子电池的循环性能会受到影响。
另一方面,体积膨胀问题,在电池循环过程中也时常发生,在膨胀后,原本被压合的接触面可能失效,也会急剧降低全固态锂离子电池的循环性能。
比亚迪在新专利中提出的方案
12月28日,比亚迪一件专利公开,提出了一种方案以克服现有技术全固态锂离子电池的正极涂层中由于正极颗粒与电解质颗粒接触差导致循环差的问题。
专利提供了一种正极片和一种全固态锂电池,该正极片可以有效避免全固态锂电池循环差的问题,提高了电池的循环性能。专利号在文末。
根据专利描述,其正极片包括集流体及其表面的正极涂层两部分。正极涂层由3部分组成:正极活性材料、硫系电解质和添加剂。
其中,添加剂为含有巯基和羧基的有机物,且有机物中主链碳原子数为1-5的整数,巯基、羧基的数量最好为1-2。
添加剂在正极涂层总体重量中的含量占比为0.1-5%。
功效如下:
相比现有技术,本专利通过引入添加剂,使正极涂层中正极活性材料颗粒与硫系电解质颗粒之间的接触由物理作用转变为化学作用。
具体而言,添加剂中羧基官能团通过与正极活性材料颗粒表面残留的羟基(-OH)发生酸碱中和反应链接到正极活性材料颗粒;巯基官能团则是通过S原子与硫系电解质颗粒中裸露在外的阳离子(Li+、P5+、Ge4+等)发生配位反应链接在一起。
这增加了正极活性材料颗粒与硫系电解质颗粒之间的接触紧密程度,有利于电荷传递,避免了循环过程中因体积膨胀导致接触变差的情况发生,进而提高了全固态锂电池的循环性能。如下图所示,是采用专利方案的添加剂的实施例与未采用的对比。


上图是实施例1和对比例1制得全固态锂电池的比容量-循环次数测试曲线图; 从电镜扫码图中可以看到,经过100次循环后,实施例中(左侧图)正极片固态颗粒之间依然保持比较紧密的状态,而对比例中(右侧图),正极片中则出现了较为明显的缝隙,各个颗粒之间接触松散了很多。这就是电池循环后,电池体积变化,使得性能明显变差的原因。
说明本发明添加剂的引入起到了密实颗粒之间接触,有效降低循环过程体积变化的影响的作用,大大提高电池的循环性能。
相关专利:
CN 113851650 A
2021.12.28
比亚迪股份有限公司
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