专利名称：一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种三维锂离子电池固体电解质的制备方法，具体是一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，是将有机高分子聚合物导入孔径在微米尺寸结构的通道中，属于微电子工艺制作领域。
背景技术：
锂离子电池已广泛应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备中，深受广大用户的钟爱，在未来的电动汽车也有着非常好的应用前景，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。然而，对于车用动力，由于较慢的电池充电速度，是电动汽车还未能实用化的原因之一。提高锂离子电池的充电速度，可以采用新型的电池结构一一三维结构。早在 2003年，人们就设想了柱状电极交互排列的三维微电池结构，并对按几种不同方式排列的正负极构成的三维电池进行了仿真，事实上，它实现的是电极的三维，而电解质仍然是二维结构° 在 2006 年 Journal of Power Sources 上发表的 Advanced materials forthe 3D microbattery文章中公开了用旋涂的方法将有机固体电解质导入通道中。这种方法适于口径较大，孔深较浅的通道。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，实现在高深宽比的硅微通道内形成一层均勻、吸液性能良好的三维固体高分子聚合物电解质薄膜。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，其步骤如下1)将硅微通道板(已经覆盖镍金属层和二硫化钼层)预处理将所述硅微通道板浸于l^WTriton X-100水溶液中50-70秒。由于硅以及各镀层与有机的高分子有机溶液亲和性较差，破坏其表面张力，从而提高通道壁对电解质的吸附能力；2)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基体粉末lg、丙酮(分析纯)溶剂IOOmL,混合后用磁力搅拌至均勻，再加入0. 1-0. 25g的纳米S^2或Al2O3粉末，用于提高电解质的离子导电率，然后继续搅拌，得到完全溶解的透明液体。3)将步骤1)处理好的样品置于擦镜纸上，然后将它们放置在改装后的勻胶机托盘上，开真空，并调节真空的大小，将它们吸附在托盘上；4)将制备好的电解质溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，电解质溶液进入通道内，由于丙酮的易挥发性，其余的物质残留在微通道内壁；通过擦镜纸一起移动样品，在样品范围的所有微通道中吸入并吸附电解质；5)将吸入电解质溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C温度下干燥30分钟，使得丙酮彻底挥发；6)重复4，5步骤，直到硅微通道内壁形成厚度为50-300纳米的固体电解质膜，从而形成了一层三维高分子聚合物薄膜。所述的硅微通道板，其孔宽为3-5微米，孔深为100-150微米。步骤幻中所述的改装后的勻胶机，是将已有的勻胶机进行改装，把与真空泵相连的软管直接通向托盘，由于直接吸真空力量太大，而微通道脆而薄，因此利用托盘吸附平面结构的特点，在托盘上放置另一托盘，从而通过调节该托盘的位置，控制吸附力量。步骤3)中，所述的真空度在11 至5001 之间。本方法对设备要求不高，工艺简单，生产成本低，因该固体电解质基于高深宽比微通道结构，而且该电解质膜较薄，在纳米量级，缩短了锂离子在电解质中的扩散距离，从而提高了锂离子电池的充电速度。
图1为硅微通道板的扫描电子电镜图；图2为镍金属层扫描电子电镜图；图3为二硫化钼负极材料扫描电子电镜图；图4为高分子固体电解质扫描电子电镜图；图5为三维锂离子电池结构剖面示意图。图中1、正极材料2、二硫化钼负极3、硅衬底4、二硅化镍电流收集极5、聚合物电解质。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。实施例11)将硅微通道板(已经覆盖镍金属层和二硫化钼层)预处理将所述硅微通道板浸于的iTriton X-100水溶液中50秒；2)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基体粉末lg、丙酮(分析纯)溶剂IOOmL,混合后用磁力搅拌至均勻，再加入0. Ig的纳米SiA或Al2O3粉末，然后继续搅拌， 直到得到完全溶解透明且有较好流动性的液体；3)将步骤1)处理好的样品置于擦镜纸上，然后将它们放置在改装后的勻胶机托盘上，开真空，并调节真空的大小至400帕，将它们吸附在托盘上；4)将上述制备好的电解质溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，电解质溶液进入通道内，由于丙酮的易挥发性，其余的物质残留在微通道内壁；通过擦镜纸一起移动样品，在样品范围的所有微通道中吸入并吸附电解质；5)将吸入电解质溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C温度下干燥30分钟，使得丙酮彻底挥发；6)重复4，5步骤，直到硅微通道内壁形成厚度为50纳米的固体电解质膜，从而形成了一层三维高分子聚合物薄膜。实施例2
1)将硅微通道板(已经覆盖镍金属层和二硫化钼层)预处理将所述硅微通道板浸于的iTriton X-100水溶液中70秒；2)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基体粉末lg、丙酮(分析纯)溶剂IOOmL,混合后用磁力搅拌至均勻，再加入0. 25g的纳米S^2或Al2O3粉末，然后继续搅拌，直到得到完全溶解透明且有较好流动性的液体。；3)将步骤1)处理好的样品置于擦镜纸上，然后将它们放置在改装后的勻胶机托盘上，开真空，并调节真空的大小至10帕，将它们吸附在托盘上；4)将上述制备好的电解质溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，电解质溶液进入通道内，由于丙酮的易挥发性，其余的物质残留在微通道内壁；通过擦镜纸一起移动样品，在样品范围的所有微通道中吸入并吸附电解质；5)将吸入电解质溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C温度下干燥30分钟，使得丙酮彻底挥发；6)重复4，5步骤，直到硅微通道内壁形成厚度为300纳米的固体电解质膜，从而形成了一层三维高分子聚合物薄膜。实施例31)将硅微通道板(已经覆盖镍金属层和二硫化钼层)预处理将所述硅微通道板浸于的iTriton X-100水溶液中60秒；2)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基体粉末lg、丙酮(分析纯)溶剂IOOmL,混合后用磁力搅拌至均勻，再加入0. 2g的纳米S^2或Al2O3粉末，然后继续搅拌， 直到得到完全溶解透明且有较好流动性的液体；3)将步骤1)处理好的样品置于擦镜纸上，然后将它们放置在改装后的勻胶机托盘上，开真空，并调节真空的大小至300帕，将它们吸附在托盘上；4)将上述制备好的电解质溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，电解质溶液进入通道内，由于丙酮的易挥发性，其余的物质残留在微通道内壁；通过擦镜纸一起移动样品，在样品范围的所有微通道中吸入并吸附电解质；5)将吸入电解质溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C温度下干燥30分钟，使得丙酮彻底挥发；6)重复4，5步骤，直到硅微通道内壁形成厚度为100纳米的固体电解质膜，从而形成了一层三维高分子聚合物薄膜。实施例41)将硅微通道板(已经覆盖镍金属层和二硫化钼层)预处理将所述硅微通道板浸于的iTriton X-100水溶液中55秒；2)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基体粉末lg、丙酮(分析纯)溶剂IOOmL,混合后用磁力搅拌至均勻，再加入0. 15g的纳米S^2或Al2O3粉末，然后继续搅拌，直到得到完全溶解透明且有较好流动性的液体；3)将步骤1)处理好的样品置于擦镜纸上，然后将它们放置在改装后的勻胶机托盘上，开真空，并调节真空的大小至200帕，将它们吸附在托盘上；4)将上述制备好的电解质溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，电解质溶液进入通道内，由于丙酮的易挥发性，其余的物质残留在微通道内壁；通过擦镜纸一起移动样品，在样品范围的所有微通道中吸入并吸附电解质；5)将吸入电解质溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C温度下干燥30分钟，使得丙酮彻底挥发；6)重复4，5步骤，直到硅微通道内壁形成厚度为150纳米的固体电解质膜，从而形成了一层三维高分子聚合物薄膜。如图1，图2和图3所示的三维高分子聚合物固体电解质制备所依托的骨架。在图1的硅微通道结构中，孔宽为3-5微米，孔深为100-150微米。在此基础上，制备一层金属镍涂层，作为锂电池的电流收集极，如图2所示。在已经制备好镍涂层的硅微通道内壁沉积二硫化钼，作为锂电池的负极，如图3所示。在图3的基础上，制备高分子聚合物固体电解质。如图4所示，该薄膜是一种疏松的海绵状结构，便于吸液和离子传输。由于电解质溶液具备一定的粘性，将微通道与托盘直接接触，会使得微通道难以取下或者会使微通道发生断裂。将擦镜纸置于微通道与托盘之间，可以克服上述问题，且利用丙酮溶液容易使得擦镜纸与微通道分离，不会引入其他的物质或者污染。将该电解质进行吸液测试，发现吸液性能良好。同时，此真空吸液并吸附的方法适于其他有一定粘度的溶液。整个电池的架构如图5所示，在以二硫化钼为负极的时候，我们可以选择不同的正极材料来构成整体的电池。同时，在微通道中先制备好磷酸铁锂正极后，也可以依照上述工艺步骤制备高分子有机固体电解质，再采用电泳的方法制备碳石墨负极。其区别在于电泳技术制备时与已经制备好的电解质之间的兼容性。
权利要求
1.一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，其特征在于其步骤如下1)将硅微通道板预处理将所述硅微通道板浸于的TritonX-IOO水溶液中50-70秒；2)将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物基体粉末lg、丙酮溶剂IOOmL,混合后用磁力搅拌至均勻，再加入0. 1-0. 25g的纳米SiO2或Al2O3粉末然后继续搅拌，直到得到完全溶解透明且有较好流动性的液体；3)将步骤1)处理好的样品置于擦镜纸上，然后将它们放置在改装后的勻胶机托盘上， 开真空，并调节真空的大小，将它们吸附在托盘上；4)将制备好的电解质溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，电解质溶液进入通道内；通过擦镜纸一起移动样品，在样品范围的所有微通道中吸入并吸附电解质；5)将吸入电解质溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C温度下干燥30分钟，使得丙酮彻底挥发；6)重复4，5步骤，直到硅微通道内壁形成厚度为50-300纳米的固体电解质膜，从而形成了一层三维高分子聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，其特征在于所述的硅微通道板，其孔宽为3-5微米，孔深为100-150微米。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，其特征在于步骤幻中所述的改装后的勻胶机，是将已有的勻胶机进行改装，把与真空泵相连的软管直接通向托盘，在托盘上放置另一托盘。
4.根据权利要求1所述的一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，其特征在于步骤幻中，所述的真空度在1 至500 之间。
全文摘要
本发明公开了一种三维锂离子电池固体电解质的制备方法，具体是一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法，是将有机高分子聚合物导入孔径在微米尺寸结构的通道中，属于微电子工艺制作领域。包括有机高分子聚合物薄膜，它是基于高深宽比的硅微通道板，在其壁上形成的电解质薄膜。本方法对设备要求不高，工艺简单，生产成本低，因该固体电解质基于高深宽比微通道结构，而且该电解质膜较薄，在纳米量级，缩短了锂离子在电解质中的扩散距离，从而提高了锂离子电池的充电速度。
文档编号H01M10/0565GK102456920SQ20101052321
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者刘涛, 张华艳, 王振, 王连卫 申请人:上海学子科技创业有限公司, 华东师范大学