一种全固态电芯及包含其的电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，特别是涉及一种全固态电芯及包含该全固态电芯的全固态电池。


背景技术：

2.固态电池采用不可燃的固态电解质替换了可燃性的有机液态电解质，大幅提升了电池系统的安全性，实现能量密度的同步提升。在各类新型电池体系中，固态电池是距离产业化最近的下一代技术，这已成为产业与科学界的共识。全固态电池各层内部和各层之间均为固固接触，为减小固固接触及充放电过程体积膨胀带来的影响，确保全固态电池容量发挥，通常在全固态电池测试或使用过程中需要约1mpa至10mpa的高外加压力来保压，有时候甚至大于10mpa的压力。
3.由于全固态电池测试或工作中通常加有较大压力，电解质膜抗剪切力能力差，传统的多层叠片制备大容量全固态电芯较易出现边缘微短路现象，且由于电池内结构通常是负极面积大于正极面积，多出的负极及电解质膜面积束缚力或压力小于与正极复合部分，因此多出的面积会因剪切力及充放电过程膨胀收缩而出现掉料粉化现象，且正、负极片尺寸的不一致也会导致叠片过程中发生错位现象，大小不一的极片叠片也会产生边缘较薄的结构特性，边缘挤压或受力不均易于发生边缘坍塌掉料从而引起短路，使得全固态电池的安全性和成品率降低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供了一种全固态电芯，以解决传统多层叠片制备的全固态电芯较易出现边缘微短路、叠片过程中各部件容易产生错位，安全性及成品率降低的现象。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种全固态电芯，包括正极极片、电解质膜层和负极极片，所述电解质膜层位于所述正极极片表面，所述负极极片位于所述电解质膜层表面；
7.所述正极极片、所述负极极片和所述电解质膜层的尺寸一致。
8.优选的，在上述全固态电芯中，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极活性层；所述正极集流体的长度、宽度均大于所述正极活性层。
9.优选的，在上述全固态电芯中，所述正极集流体的长度与所述正极活性层长度的差值为0.5-5mm；和/或所述正极集流体的宽度与所述正极活性层宽度的差值为0.5-5mm。
10.优选的，在上述全固态电芯中，所述正极极片还包括绝缘部，所述绝缘部包裹在所述正极集流体未涂覆所述正极活性层的部分，用于完全密封所述正极集流体。
11.优选的，在上述全固态电芯中，所述正极集流体包括涂布区和绝缘区；
12.其中，所述涂布区与所述正极活性层表面连接，用于涂布浆料形成正极活性层；所述绝缘区位于所述涂布区外侧，所述绝缘部环绕包裹于所述绝缘区，用于密封所述正极集
流体。
13.优选的，在上述全固态电芯中，所述绝缘部为回型框，所述回型框的内部尺寸与所述正极活性层相适配，所述绝缘部的外部尺寸大于所述正极集流体的尺寸。
14.优选的，在上述全固态电芯中，所述绝缘部的高度为所述正极活性层高度的50-95％；和/或所述绝缘部的厚度≤0.5mm。
15.优选的，在上述全固态电芯中，所述负极极片包括负极集流体和负极活性层，且所述负极集流体和所述负极活性层的长度一致。
16.优选的，在上述全固态电芯中，所述正极集流体为涂碳铝箔或铝箔；和/或所述负极集流体为涂碳铜箔、铜箔或不锈钢箔。
17.另外，本实用新型还提供了一种全固态电池，包括上述的全固态电芯。
18.本实用新型提供了一种全固态电芯与全固态电池，与现有技术相比，其有益效果在于：
19.本实用新型全固态电芯中各部件全面积接触，叠片过程不用担心因各部件尺寸不一致而导致的错位现象，可有效降低叠片成本；并且极片边缘进行了强化与绝缘处理，电池正面、侧面抗冲击能力提高，降低了电池使用过程中因外力导致损坏的概率，提高了固态电池的环境适应能力，有效增加大容量大面积全固态电芯的稳定性、安全性和成品率，有利于推进全固态电池产业化发展。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
21.图1是本实用新型实施例全固态电芯结构的截面示意图；
22.图2是本实用新型实施例正极极片的平面图；
23.图3是本实用新型实施例正极极片的侧视图。
24.在图中，
25.100为正极极片、101为正极集流体、102为正极活性层、103为绝缘部、1031为绝缘框、1032为绝缘封头、200为电解质膜层、300为负极极片、301为负极活性层、302为负极集流体。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
27.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
28.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者
隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
30.如图1所示，本实用新型实施例提供了一种全固态电芯，包括正极极片100、电解质膜层200和负极极片300，正极极片100、负极极片300和电解质膜层200的尺寸一致。
31.在本实用新型的一些实施例中，正极极片100为双面正极片，正极极片100包括正极集流体101和设置于正极集流体101上下表面的正极活性层102，且如图2所示，正极集流体101的尺寸大于正极活性层102的尺寸。
32.具体的，正极活性层102是由浆料涂布在正极集流体101表面形成的，正极集流体101的长度大于正极活性层102的长度，正极集流体101的宽度大于正极活性层102的宽度。
33.在本实用新型的一些实施例中，正极极片100还包括绝缘部103，绝缘部103包裹在正极集流体101未涂覆正极活性层102的部分，用于完全密封正极集流体101，密封区域包括正极集流体101的上下表面和侧面。
34.在本实用新型的一些实施例中，正极集流体101包括涂布区和绝缘区；
35.涂布区与正极活性层102表面连接，通过在涂布区内涂布浆料以形成正极活性层102；绝缘区位于涂布区外侧，即正极集流体101表面没有涂布浆料的部分，绝缘区与涂布区共同组成正极集流体101；并且绝缘部103环绕包裹于绝缘区，使得正极集流体101完全被绝缘部包裹覆盖，达到密封正极集流体101的目的。
36.在本实用新型的一些实施例中，正极集流体101的长度与正极活性层102长度的差值为0.5-5mm；正极集流体101的宽度与正极活性层102宽度的差值为0.5-5mm，可以保证在正极集流体101大于正极活性层102的部分完全由绝缘材料包裹。
37.在本实用新型的一些实施例中，绝缘部103为回型框，回型框的内部尺寸与所述正极活性层102相适配，绝缘部103的外部尺寸大于正极集流体101的尺寸。
38.在本实用新型的一些实施例中，绝缘部103包括绝缘框1031，绝缘框1031环绕包裹于正极活性层102外侧，具体的绝缘框1031位于正极集流体101上未涂覆正极活性物质的绝缘区，用于密封正极集流体101的上下表面；
39.可以理解的，绝缘框1031为回型框，绝缘框1031的内部尺寸与正极活性层102相适配，套设于正极活性层102外侧，绝缘框1031的外部尺寸大于正极集流体101的尺寸，且绝缘框1031的高度为正极活性层102高度的50-95％。
40.需要说明的是，绝缘框1031的具体高度与绝缘材料及正极活性层102硬度相关，必须保证叠片后，绝缘框1031的高度不影响固态电解质层与正极的接触，其主要作用包括整平和边缘绝缘；整平是为了防止由于正极活性层面积小于隔膜和负极，叠片后而产生的空间高度，而进一步的产生剪切力，边缘绝缘是为了防止负极集流体在高压或不均匀力下产生延展和剪切力透过电解质膜层与正极集流体接触而发生短路。因此，为了防止负极活性
层、负极集流体与正极集流体边缘接触产生短路，制备正极集流体边缘大于正极活性层的正极片，并在正极集流体边缘设置绝缘部。
41.在本实用新型的一些实施例中，绝缘部103还包括绝缘封头1032，绝缘封头1032在正极集流体101表面通过180℃温度热封，使得上下绝缘框1031将预留的正极集流体101边缘全部密封。
42.具体的，绝缘封头1032通过180℃左右的温度高温加热后固定在上下两层绝缘框1031之间，使得绝缘框1031、绝缘封头1032将正极集流体101边缘全部密封，完成正极片的表面积边缘处理。
43.在本实用新型的一些实施例中，绝缘封头1032的厚度≤0.5mm，避免因包裹太厚影响电池尺寸和叠片的精度。
44.可以理解的，绝缘框1031和绝缘封头1032由绝缘材料制成，绝缘材料可以是硫化物、氧化物电解质等与胶的混合物，也可以是其他聚合物类膜材料等；进一步地，绝缘层材料可以是pp、pe、pi、pet、pvdf5130、pvdf75130、pvdf21216、pvd、f6020、pvdf-hvs900、pvdf-hfp、pvdf-lbg、nbr、hnbrsbr、sbs、sebs、ptef中的至少一种，也可以是以上物质作为粘结剂时与硫化物、氧化物电解质材料的混合物。
45.在本实用新型的一些实施例中，电解质膜层200连接于正极极片100表面；负极极片300连接于电解质膜层200表面，电解质膜层200厚度为10-50μm，电解质膜为硫化物电解质膜。
46.负极极片300包括负极活性层301和负极集流体302，负极集流体302和负极活性层301的长度一致，且负极活性层301一端与电解质膜层200表面连接，另一端与负极集流体302表面连接。
47.具体的，负极极片300涂布烘干、辊压后，硫化物电解质浆料以挤压涂布的方式涂布于负极活性层301上，为保证界面稳定，避免负极活性层301的破坏，电解质浆料中使用的溶剂不能溶解负极活性层301中的粘结剂，电解质膜层200全覆盖负极活性层301，辊压后模切备用，与正极极片100叠片、焊接封装后，对电池温等静压，完成电池制备。温等静压目的是增加正极极片100、电解质膜层200、负极极片300各层本身的颗粒及其之间的界面接触，减小界面阻抗，有利于电池在循环过程中结构稳定和性能发挥。
48.在本实用新型的一些实施例中，正极集流体101为涂碳铝箔或铝箔；和/或负极集流体302为涂碳铜箔、铜箔或不锈钢箔。
49.实施例
50.如图1所示，本实施例公开了一种全固态电芯，包括正极集流体101、以及正极集流体101的顶部和底部表面均依次连接的正极活性层102、电解质膜层200、负极活性层301、负极集流体302。
51.由该全固态电芯制备全固态电池，具体制备方法如下：
52.(1)取ncm811@
·
li2tio3为活性物质，lpscl为电解质，sp为导电剂，pvdf-hfp为粘结剂，然后使用二甲苯溶解pvdf-hfp制备胶液，将以上材料搅拌匀浆，采用定制尺寸间歇涂布在涂炭铝箔上，双面烘干，80℃热辊压后模切备用，其中正极集流体尺寸为9.2*15.2cm，正极活性层尺寸为9*15cm；
53.(2)取pp绝缘材料，厚度为正极活性层的80％，模切成外尺寸9.25*15.25cm，内尺
寸为9*15cm的回型绝缘框，在正极集流体预留的区域两面粘贴上该pp回型绝缘框，再使用尺寸与绝缘框材料匹配的绝缘封头在180℃温度下与绝缘框结合固定，使得上下两层绝缘材料配合绝缘封头将预留的正极集流体边缘全部密封，完成正极片边缘处理，得到正极极片；
54.(3)将环己酮和pvdf-lbg混合制胶，得到混合胶液；将混合胶液与lpscl按0.5：99.5的比例球磨混合制浆，得到混合浆料备用；
55.(4)取质量比为60：16：19：2.5：2.5的纳米硅、ag、li6ps5cl、cnt、sbr，然后使用甲苯溶解hnbr得到胶液，将胶液与纳米硅、ag、li6ps5cl、cnt、sbr搅拌混合匀浆后，涂布在涂炭铜箔两侧表面上，烘干，60℃热辊压后，将混合浆料挤压涂布于负极上，涂布厚度为35um，在90℃、18h真空烘干后，60℃热辊压，模切成9.2*15.2cm备用，得到电解质膜层-负极极片；
56.(5)将电解质膜层-负极极片与正极极片叠片后，焊接、封装，设计容量5ah，然后在200mpa、70℃条件下，温等静压10min，施压1次，完成软包制备。
57.对比例
58.对比例与实施例基本相同，其区别仅在于，对比例未采用正极集流体大于正极活性层的结构，而采用是传统直接模切的正极极片与电解质膜层复合，再与负极极片堆叠的方式制备电芯，无法布置绝缘部，且无法在内部对正极活性层高出的部分整平，负极极片将正极极片边缘包住，负极极片大于正极极片部分产生弯曲现象并承受剪切力。
59.将实施例与对比例制备的全固态电池在保压压力为1mpa、温度为25℃，1c充电、0.33c放电的条件下，进行循环容量保持率测试，其中实施例循环充放电300次后的循环容量保持率为95.8％，对比例在第三次循环充放电时则发生微短路。
60.综上所述，本实用新型制备的全固态电芯结构简单、组装方便，有效降低了电池非工作部分的占比，有利于电池能量密度的提升，对现有设备利用率高，有利于控制成本，促进高性能全固态电池规模化生产。
61.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种全固态电芯，包括正极极片、电解质膜层和负极极片，其特征在于，所述电解质膜层位于所述正极极片表面，所述负极极片位于所述电解质膜层表面；所述正极极片、所述负极极片和所述电解质膜层的尺寸一致。2.根据权利要求1所述的全固态电芯，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极活性层；所述正极集流体的长度、宽度均大于所述正极活性层。3.根据权利要求2所述的全固态电芯，其特征在于，所述正极集流体的长度与所述正极活性层长度的差值为0.5-5mm；和/或所述正极集流体的宽度与所述正极活性层宽度的差值为0.5-5mm。4.根据权利要求2或3所述的全固态电芯，其特征在于，所述正极极片还包括绝缘部，所述绝缘部包裹在所述正极集流体未涂覆所述正极活性层的部分，用于完全密封所述正极集流体。5.根据权利要求4所述的全固态电芯，其特征在于，所述正极集流体包括涂布区，与所述正极活性层表面连接，用于涂布浆料形成正极活性层；绝缘区，位于所述涂布区外侧，所述绝缘部环绕包裹于所述绝缘区，用于密封所述正极集流体。6.根据权利要求4所述的全固态电芯，其特征在于，所述绝缘部为回型框，所述回型框的内部尺寸与所述正极活性层相适配，所述绝缘部的外部尺寸大于所述正极集流体的尺寸。7.根据权利要求4所述的全固态电芯，其特征在于，所述绝缘部的高度为所述正极活性层高度的50-95％；和/或所述绝缘部的厚度≤0.5mm。8.根据权利要求2所述的全固态电芯，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和负极活性层，且所述负极集流体和所述负极活性层的长度一致。9.根据权利要求8所述的全固态电芯，其特征在于，所述正极集流体为涂碳铝箔或铝箔；和/或所述负极集流体为涂碳铜箔、铜箔或不锈钢箔。10.一种全固态电池，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的全固态电芯。

技术总结
本实用新型涉及电池技术领域，公开了一种全固态电芯，包括正极极片、电解质膜层和负极极片，所述电解质膜层位于所述正极极片表面，所述负极极片位于所述电解质膜层表面；所述正极极片、所述负极极片和所述电解质膜层的尺寸一致。本实用新型全固态电芯中各部件全面积接触，叠片过程不用担心因各部件尺寸不一致而导致的错位现象，可有效降低叠片成本，并且提高了固态电池的环境适应能力，有效增加大容量大面积全固态电芯的稳定性、安全性和成品率，有利于推进全固态电池产业化发展。利于推进全固态电池产业化发展。利于推进全固态电池产业化发展。


技术研发人员：陈少杰 王磊 袁文森 王志文
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技(无锡)有限公司
技术研发日：2022.11.17
技术公布日：2023/8/13