一种磁场诱导垂直取向离子通道的固态电池复合正极及制备与应用

本发明属于二次电池固态电池，具体为一种磁场诱导垂直取向离子通道的固态电池复合正极及制备与应用。

背景技术：

1、随着化石能源的消耗以及能源问题日益凸显，二次锂离子电池因其具有高比容量等优点已经被应用于各种领域。二次锂离子电池被认为是最具潜力的电化学储能技术之一。然而，目前商业化的锂离子电池采用了液态的电解质溶液，沸点低且有毒性。容液体易发生泄露、爆炸等危险事件。全固态锂电池被认为是克服锂离子电池普遍存在的问题的有效解决方案。然而，与液体电解质相比，已报道的全固态锂电池仍然缺乏能量和功率密度。由固态电解质、阴极活性材料颗粒组成的固体复合材料内部的电荷输运网络固有的更加曲折。因此，精心设计复合阴极的成分和结构是保证锂离子高效导电的必要条件。

2、在固态阴极中构建高效的离子渗透网络，可以增强离子输运路径的连续性，消除离子堆积引起的浓度电压极化。垂直离子通道允许离子在电流收集器和电解质之间更直接地移动，缩短离子运输途径。这实现了高速率循环性能和高质量负载。然而，垂直离子通道占据了固态复合阴极的阴极活性材料位置，影响了复合阴极的能量密度。因此，如何在阴极内创建垂直离子传输通道而不影响阴极活性材料含量的问题一直是一个需要考虑的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种具有垂直离子通道和高能量全固态电池正极复合体及其制备方法，以及相应的全固态电池。

2、根据本发明的第一方面，得到了一种具有垂直离子通道和高能量全固态电池正极复合体的制备方法，其制备的具体步骤如下：

3、（1）将具有离子传导作用的纳米线、纳米片通过与磁纳米颗粒进行电荷自吸附进行磁化得到具有磁响应的纳米线、纳米片；

4、（2）正极浆液的制备，将正极活性物质粉末、导电成分、粘结剂和锂盐按比例在溶剂中均匀混合，加入磁响应纳米线、纳米片混合均匀；

5、（3）步骤（2）制备的正极浆液并涂布于集流体上，在磁场下使溶剂挥发得到复合正极。

6、优选地，步骤（1）中纳米线、纳米片为活性无机氧化物（如llto、llzo等）、以及其他离子导体材料（如mof等）中的一种或几种。

7、优选地，步骤（2）中正极活性物质粉末为licoo2、limn2o4、lifepo4、nmc、li2s、氧化物（如linio2、licopo4等）中的一种或几种。

8、优选地，步骤（2）中导电成分为碳黑、碳纳米管、导电聚合物、导电金属氧化物（如氧化铝和氧化钛等）中的一种或几种。

9、优选地，步骤（2）粘结剂为聚合物粘结剂（如peo、pan、pvp、pvdf、纤维素等）、陶瓷粘结剂（如氧化锂硅陶瓷等）中的一种或几种。

10、优选地，步骤（2）中锂盐为litfsi、lifsi、liclo4中的一种或多种。

11、优选地，步骤（2）中溶剂径为四氢呋喃，丙酮，乙酸乙酯，丁酸乙酯，三甲醇二甲醚，n,n二甲基甲酰胺，n,n二甲基乙酰胶，n-甲基吡咯烷酮，乙腈，二甲苯，二甲基亚砜，氯仿，二溴甲烷等中的一种或几种。

12、优选地，步骤（2）中正极活性物质粉末：导电成分：粘结剂：锂盐：磁响应的纳米线、纳米片的质量比为50%~80%：5%~35%：5%~35%：5%~35%：0.1%~10%。

13、优选地，步骤（3）中磁场为垂直方向、旋转方向的一种或几种的组合。

14、总体而言，本发明与现有技术相比，主要的有益效果和优点在于：

15、（1）本发明所采用的磁场取向可以在复合固态正极中构建垂直离子传输通道，这使得锂离子可以更直接地在电流收集器和电解质之间移动，从而缩短离子传输路径垂直离子通道缓解了正极内的浓度极化，促进了锂离子在正极厚度方向上的均匀分布，实现了高倍率的循环性能和高质量的负载；

16、（2）本发明制备垂直离子通道在复合正极中所占的比例较小，在优化固态正极内的垂直离子传输途径同时，最大化电荷转移效率以实现高能/大功率固态电池。

技术特征：

1.一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中纳米线、纳米片为活性无机氧化物（如llto、llzo等）、以及其他离子导体材料（如mof等）中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中正极活性物质粉末为licoo2、limn2o4、lifepo4、nmc、li2s、氧化物（如linio2、licopo4等）中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中导电成分为碳黑、碳纳米管、导电聚合物、导电金属氧化物（如氧化铝和氧化钛等）中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中粘结剂为聚合物粘结剂（如peo、pan、pvp、pvdf、纤维素等）、陶瓷粘结剂（如氧化锂硅陶瓷等）中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中锂盐为litfsi、lifsi、liclo4中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中溶剂径为四氢呋喃，丙酮，乙酸乙酯，丁酸乙酯，三甲醇二甲醚，n,n二甲基甲酰胺，n,n二甲基乙酰胶，n-甲基吡咯烷酮，乙腈，二甲苯，二甲基亚砜，氯仿，二溴甲烷等中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中正极活性物质粉末：导电成分：粘结剂：锂盐：磁响应的纳米线、纳米片的质量比为50%~80%：5%~35%：5%~35%：5%~35%：0.1%~10%。

9.根据权利要求1所述的一种全固态电池正极复合体的制备方法，其特征在于，所述步骤3）磁场为垂直方向、旋转方向的一种或几种的组合。

技术总结
本发明属于二次电池固态电池技术领域，具体为一种磁场诱导垂直取向离子通道的固态电池复合正极及制备与应用。本发明通过磁场诱导将复合正极中的纳米线、纳米片形成垂直取向，实现固态电池正极厚度方向上高效的离子传递。本发明通过配制正极浆料并涂布于集流体上，在磁场下使溶剂挥发得到复合正极。本发明在传统的锂固态正极中形成了垂直取向的离子通道，使高电流密度和厚电极离子传输过程中的均匀性得到提高。此设计采用少量的纳米线、纳米片实现了垂直离子通道的构建和复合正极的高能量和高密度化。

技术研发人员：吴敬一,程广增,王焕磊
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15