一种金属离子固态电池的制作方法

本公开涉及新能源电池，尤其涉及一种金属离子固态电池。

背景技术：

1、新能源电池以其循环寿命好、环境友好、价格合适等优点而受到市场的青睐，并广泛应用于通讯电子、电动汽车等领域，尤其是固态电池。固态电池领域有不同的技术路线，固体电解质可大致分为三类：无机电解质、固态聚合物电解质、复合电解质，目前较多业者投入研究的材料包括固态聚合物、硫化物、氧化物、薄膜等。

2、但是，固态电池在较低的电流密度下，仍会生成枝晶并引起短路，枝晶问题已成为限制固态电池应用的核心瓶颈之一。

3、首先，高效的电解质材料体系缺乏。目前固态电池材料发展很快，但综合应用较为欠缺。作为固态电池的核心材料，目前在固体金属离子导体的单一指标上已有所突破，但综合性能尚不能满足大规模储能需求。现今固态电池采用的固态电解质普遍存在性能短板，距离高性能金属离子电池系统的要求仍有不小的差距。

4、其次，固态电解质和电极的界面处理也是固态电池目前面对的一大难题。在固体电解质中金属离子传输阻抗很大，与电极接触的刚性界面接触面积小，在充放电过程中电解质体积的变化容易破坏界面的稳定。在固态金属离子电池中，除了电解质和电极之间的界面，电极内部还存在复杂的多级界面，电化学以及形变等因素都会导致接触失效影响电池性能。

5、再次，长期使用时稳定性不理想也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈。固态电池在服役过程中结构与界面会随时间发生退化，但退化对电池综合性能的影响机制尚不明确，难以实现长效应用。

6、所以，构建高性能固态电池要从两方面入手，一是构建高性能的固态电解质，二是提高界面的相容性和稳定性。过去铅酸电池、镍氢电池均未使电动汽车的地位有所突破，直至磷酸铁锂离子电池、三元锂离子电池的升级才使得部分消费者逐步接受电动汽车。但是，消费者对电池提出了更高的要求：

7、(1)更长的寿命，达到新能源汽车终身不用换电池(对于电动汽车而言需要电池寿命超过10年)；

8、(2)优异的快充性能；

9、(3)优异的低温循环性能及容量恢复能力；

10、(4)无懈可击的安全性能，带负载放电情况下360度针刺不燃烧不爆炸。

11、这四个倍受瞩目的电池性能均与电池内部金属枝晶析晶副反应及内部高电压、强离子热流密切相关，传统锂离子电池在高电压、强离子热流下加速电池电芯老化、缩短电池使用寿命、引发电池内部短路爆燃爆炸危险、不能实现快充慢放的使用效果。本发明就是要降低电芯的高电压、强离子热流，实现电池的长使用寿命、高安全、高能量密度、优异的低温循环性能及容量恢复能力。

技术实现思路

1、本公开实施例的目的在于提供一种金属离子固态电池，用以解决现有技术中电芯的高电压、强离子热流对电池电芯的破坏，解决电池容易老化、使用寿命低、电芯枝晶短路触发整个电池组爆燃的安全问题、解决固态电池高压快充难题、二维石墨烯膜包裹正极材料热压成型解决固态电池的电化学机械失效问题、隔膜正反两面表面均涂覆有导电活性剂去解决固态界面阻抗难题。

2、本公开的实施例采用如下技术方案：一种金属离子固态电池，包括：多个电芯；其中，每个所述电芯中均包括两个充放电回路，任意一个充放电回路的正极均作为固体电解质设置在另一个充放电回路的正极和负极之间；在相邻的所述正极之间和相邻的所述正极和所述负极之间设置有隔膜，所述隔膜表面涂覆有导电活性剂。

3、在一些实施例中，所述正极由一层硅晶片、一层金属盐和硫化物混合物、一层金属布三层叠压后由二维石墨烯膜进行包裹后热压而成。

4、在一些实施例中，所述负极由金属材料制成，其中，所述金属材料为纯金属，或者，所述金属材料为两种或两种以上金属制成的合金。

5、在一些实施例中，所述导电活性剂由活性剂、阻燃剂、芳香族化合物、导电金属纳米粉末、触变剂、抗氧化剂、耐腐蚀剂及有机溶剂混合而成。

6、在一些实施例中，每个所述充放电回路的正极和负极之间通过一个直流-直流转换器的输入端连接，所述直流-直流转换器的输出端与双向转向开关连接。

7、在一些实施例中，所述双向转向开关的并联端口连接充电口，所述双向转向开关的串联端口连接集电板。

8、在一些实施例中，在所述双向转向开关处于充电并联状态的情况下，所述金属离子固态电池中的所有直流-直流转换器均处于并联状态；在所述双向转向开关处于工作串联状态的情况下，所述金属离子固态电池中的所有直流-直流转换器均处于串联状态。

9、本公开实施例的有益效果在于：在同一个电芯内的两个充放电回路在两个互相独立互不干扰的微弱电位势下工作，防止电芯在一个电位势下串并联电路中的高电压、强离子热流加速电芯老化，加速金属枝晶形成以及电芯短路在一个很高电位势下瞬间爆燃的危险发生；同时，通过将单个电芯中的任意一个充放电回路的正极穿插到另一个充放电回路的正极和负极之间以作为固态电解质，在实现两个充放电回路之间的弱电位势隔离的基础上，减少电芯老化及控制电芯枝晶成长速度，延长了电池寿命，并且可以实现金属离子固态电池耐高压充电低压放电；进一步采用导电活性剂在隔膜表面进行涂覆的方式去填充固态的正极表面和负极表面的“峰”与“谷”，增加固态导电的接触面积，解决固态电池界面阻抗的技术难题。

技术特征：

1.一种金属离子固态电池，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的金属离子固态电池，其特征在于，所述正极由一层硅晶片、一层金属盐和硫化物混合物、一层金属布三层叠压后由二维石墨烯膜进行包裹后热压而成。

3.根据权利要求1所述的金属离子固态电池，其特征在于，所述负极由金属材料制成，其中，所述金属材料为纯金属，或者，所述金属材料为两种或两种以上金属制成的合金。

4.根据权利要求1所述的金属离子固态电池，其特征在于，所述导电活性剂由活性剂、阻燃剂、芳香族化合物、导电金属纳米粉末、触变剂、抗氧化剂、耐腐蚀剂及有机溶剂混合而成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的金属离子固态电池，其特征在于，每个所述充放电回路的正极和负极之间通过一个直流-直流转换器的输入端连接，所述直流-直流转换器的输出端与双向转向开关连接。

6.根据权利要求5所述的金属离子固态电池，其特征在于，所述双向转向开关的并联端口连接充电口，所述双向转向开关的串联端口连接集电板。

7.根据权利要求6所述的金属离子固态电池，其特征在于，在所述双向转向开关处于充电并联状态的情况下，所述金属离子固态电池中的所有直流-直流转换器均处于并联状态；在所述双向转向开关处于工作串联状态的情况下，所述金属离子固态电池中的所有直流-直流转换器均处于串联状态。

技术总结
本公开提供了一种金属离子固态电池，包括：多个电芯；每个电芯中均包括两个充放电回路，任意一个充放电回路的正极均作为固体电解质设置在另一个充放电回路的正极和负极之间；在相邻的正极之间和相邻的正极和负极之间设置有隔膜，隔膜表面涂覆有导电活性剂。本公开电芯内两个充放电回路在两个互相独立互不干扰的电位势下工作，防止加速金属枝晶形成和电芯短路；并使用正极作为固态电解质，在实现两个充放电回路之间的弱电位势隔离的基础上，减少电芯老化及控制电芯枝晶成长速度，延长了电池寿命，并可以实现金属离子固态电池耐高压充电低压放电；采用导电活性剂增加固态导电的接触面积，解决固态电池界面阻抗的技术难题。

技术研发人员：孙华
受保护的技术使用者：上海镧鲸科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15