一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法
2024-02-16 06:29:15
專利名稱：一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種三維鋰離子電池固體電解質的製備方法，具體是一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，是將有機高分子聚合物導入孔徑在微米尺寸結構的通道中，屬於微電子工藝製作領域。
背景技術：
鋰離子電池已廣泛應用於行動電話、筆記本電腦等可攜式電子設備中，深受廣大用戶的鐘愛，在未來的電動汽車也有著非常好的應用前景，必將對未來人們的生活產生深刻的影響。然而，對於車用動力，由於較慢的電池充電速度，是電動汽車還未能實用化的原因之一。提高鋰離子電池的充電速度，可以採用新型的電池結構一一三維結構。早在 2003年，人們就設想了柱狀電極交互排列的三維微電池結構，並對按幾種不同方式排列的正負極構成的三維電池進行了仿真，事實上，它實現的是電極的三維，而電解質仍然是二維結構° 在 2006 年 Journal of Power Sources 上發表的 Advanced materials forthe 3D microbattery文章中公開了用旋塗的方法將有機固體電解質導入通道中。這種方法適於口徑較大，孔深較淺的通道。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，實現在高深寬比的矽微通道內形成一層均勻、吸液性能良好的三維固體高分子聚合物電解質薄膜。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現。一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，其步驟如下1)將矽微通道板(已經覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預處理將所述矽微通道板浸於l^WTriton X-100水溶液中50-70秒。由於矽以及各鍍層與有機的高分子有機溶液親和性較差，破壞其表面張力，從而提高通道壁對電解質的吸附能力；2)將聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基體粉末lg、丙酮(分析純)溶劑IOOmL,混合後用磁力攪拌至均勻，再加入0. 1-0. 25g的納米S^2或Al2O3粉末，用於提高電解質的離子導電率，然後繼續攪拌，得到完全溶解的透明液體。3)將步驟1)處理好的樣品置於擦鏡紙上，然後將它們放置在改裝後的勻膠機託盤上，開真空，並調節真空的大小，將它們吸附在託盤上；4)將製備好的電解質溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質溶液進入通道內，由於丙酮的易揮發性，其餘的物質殘留在微通道內壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品範圍的所有微通道中吸入並吸附電解質；5)將吸入電解質溶液的微通道板置於真空乾燥箱中80°C溫度下乾燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發；6)重複4，5步驟，直到矽微通道內壁形成厚度為50-300納米的固體電解質膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。所述的矽微通道板，其孔寬為3-5微米，孔深為100-150微米。步驟幻中所述的改裝後的勻膠機，是將已有的勻膠機進行改裝，把與真空泵相連的軟管直接通向託盤，由於直接吸真空力量太大，而微通道脆而薄，因此利用託盤吸附平面結構的特點，在託盤上放置另一託盤，從而通過調節該託盤的位置，控制吸附力量。步驟3)中，所述的真空度在11 至5001 之間。本方法對設備要求不高，工藝簡單，生產成本低，因該固體電解質基於高深寬比微通道結構，而且該電解質膜較薄，在納米量級，縮短了鋰離子在電解質中的擴散距離，從而提高了鋰離子電池的充電速度。
圖1為矽微通道板的掃描電子電鏡圖；圖2為鎳金屬層掃描電子電鏡圖；圖3為二硫化鉬負極材料掃描電子電鏡圖；圖4為高分子固體電解質掃描電子電鏡圖；圖5為三維鋰離子電池結構剖面示意圖。圖中1、正極材料2、二硫化鉬負極3、矽襯底4、二矽化鎳電流收集極5、聚合物電解質。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施例進一步闡述本發明的技術特點。實施例11)將矽微通道板(已經覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預處理將所述矽微通道板浸於的iTriton X-100水溶液中50秒；2)將聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基體粉末lg、丙酮(分析純)溶劑IOOmL,混合後用磁力攪拌至均勻，再加入0. Ig的納米SiA或Al2O3粉末，然後繼續攪拌， 直到得到完全溶解透明且有較好流動性的液體；3)將步驟1)處理好的樣品置於擦鏡紙上，然後將它們放置在改裝後的勻膠機託盤上，開真空，並調節真空的大小至400帕，將它們吸附在託盤上；4)將上述製備好的電解質溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質溶液進入通道內，由於丙酮的易揮發性，其餘的物質殘留在微通道內壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品範圍的所有微通道中吸入並吸附電解質；5)將吸入電解質溶液的微通道板置於真空乾燥箱中80°C溫度下乾燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發；6)重複4，5步驟，直到矽微通道內壁形成厚度為50納米的固體電解質膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。實施例2
1)將矽微通道板(已經覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預處理將所述矽微通道板浸於的iTriton X-100水溶液中70秒；2)將聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基體粉末lg、丙酮(分析純)溶劑IOOmL,混合後用磁力攪拌至均勻，再加入0. 25g的納米S^2或Al2O3粉末，然後繼續攪拌，直到得到完全溶解透明且有較好流動性的液體。；3)將步驟1)處理好的樣品置於擦鏡紙上，然後將它們放置在改裝後的勻膠機託盤上，開真空，並調節真空的大小至10帕，將它們吸附在託盤上；4)將上述製備好的電解質溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質溶液進入通道內，由於丙酮的易揮發性，其餘的物質殘留在微通道內壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品範圍的所有微通道中吸入並吸附電解質；5)將吸入電解質溶液的微通道板置於真空乾燥箱中80°C溫度下乾燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發；6)重複4，5步驟，直到矽微通道內壁形成厚度為300納米的固體電解質膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。實施例31)將矽微通道板(已經覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預處理將所述矽微通道板浸於的iTriton X-100水溶液中60秒；2)將聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基體粉末lg、丙酮(分析純)溶劑IOOmL,混合後用磁力攪拌至均勻，再加入0. 2g的納米S^2或Al2O3粉末，然後繼續攪拌， 直到得到完全溶解透明且有較好流動性的液體；3)將步驟1)處理好的樣品置於擦鏡紙上，然後將它們放置在改裝後的勻膠機託盤上，開真空，並調節真空的大小至300帕，將它們吸附在託盤上；4)將上述製備好的電解質溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質溶液進入通道內，由於丙酮的易揮發性，其餘的物質殘留在微通道內壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品範圍的所有微通道中吸入並吸附電解質；5)將吸入電解質溶液的微通道板置於真空乾燥箱中80°C溫度下乾燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發；6)重複4，5步驟，直到矽微通道內壁形成厚度為100納米的固體電解質膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。實施例41)將矽微通道板(已經覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預處理將所述矽微通道板浸於的iTriton X-100水溶液中55秒；2)將聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基體粉末lg、丙酮(分析純)溶劑IOOmL,混合後用磁力攪拌至均勻，再加入0. 15g的納米S^2或Al2O3粉末，然後繼續攪拌，直到得到完全溶解透明且有較好流動性的液體；3)將步驟1)處理好的樣品置於擦鏡紙上，然後將它們放置在改裝後的勻膠機託盤上，開真空，並調節真空的大小至200帕，將它們吸附在託盤上；4)將上述製備好的電解質溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質溶液進入通道內，由於丙酮的易揮發性，其餘的物質殘留在微通道內壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品範圍的所有微通道中吸入並吸附電解質；5)將吸入電解質溶液的微通道板置於真空乾燥箱中80°C溫度下乾燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發；6)重複4，5步驟，直到矽微通道內壁形成厚度為150納米的固體電解質膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。如圖1，圖2和圖3所示的三維高分子聚合物固體電解質製備所依託的骨架。在圖1的矽微通道結構中，孔寬為3-5微米，孔深為100-150微米。在此基礎上，製備一層金屬鎳塗層，作為鋰電池的電流收集極，如圖2所示。在已經製備好鎳塗層的矽微通道內壁沉積二硫化鉬，作為鋰電池的負極，如圖3所示。在圖3的基礎上，製備高分子聚合物固體電解質。如圖4所示，該薄膜是一種疏鬆的海綿狀結構，便於吸液和離子傳輸。由於電解質溶液具備一定的粘性，將微通道與託盤直接接觸，會使得微通道難以取下或者會使微通道發生斷裂。將擦鏡紙置於微通道與託盤之間，可以克服上述問題，且利用丙酮溶液容易使得擦鏡紙與微通道分離，不會引入其他的物質或者汙染。將該電解質進行吸液測試，發現吸液性能良好。同時，此真空吸液並吸附的方法適於其他有一定粘度的溶液。整個電池的架構如圖5所示，在以二硫化鉬為負極的時候，我們可以選擇不同的正極材料來構成整體的電池。同時，在微通道中先製備好磷酸鐵鋰正極後，也可以依照上述工藝步驟製備高分子有機固體電解質，再採用電泳的方法製備碳石墨負極。其區別在於電泳技術製備時與已經製備好的電解質之間的兼容性。
權利要求
1.一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，其特徵在於其步驟如下1)將矽微通道板預處理將所述矽微通道板浸於的TritonX-IOO水溶液中50-70秒；2)將聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物基體粉末lg、丙酮溶劑IOOmL,混合後用磁力攪拌至均勻，再加入0. 1-0. 25g的納米SiO2或Al2O3粉末然後繼續攪拌，直到得到完全溶解透明且有較好流動性的液體；3)將步驟1)處理好的樣品置於擦鏡紙上，然後將它們放置在改裝後的勻膠機託盤上， 開真空，並調節真空的大小，將它們吸附在託盤上；4)將製備好的電解質溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質溶液進入通道內；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品範圍的所有微通道中吸入並吸附電解質；5)將吸入電解質溶液的微通道板置於真空乾燥箱中80°C溫度下乾燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發；6)重複4，5步驟，直到矽微通道內壁形成厚度為50-300納米的固體電解質膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。
2.根據權利要求1所述的一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，其特徵在於所述的矽微通道板，其孔寬為3-5微米，孔深為100-150微米。
3.根據權利要求1所述的一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，其特徵在於步驟幻中所述的改裝後的勻膠機，是將已有的勻膠機進行改裝，把與真空泵相連的軟管直接通向託盤，在託盤上放置另一託盤。
4.根據權利要求1所述的一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，其特徵在於步驟幻中，所述的真空度在1 至500 之間。
全文摘要
本發明公開了一種三維鋰離子電池固體電解質的製備方法，具體是一種基於矽微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質的製備方法，是將有機高分子聚合物導入孔徑在微米尺寸結構的通道中，屬於微電子工藝製作領域。包括有機高分子聚合物薄膜，它是基於高深寬比的矽微通道板，在其壁上形成的電解質薄膜。本方法對設備要求不高，工藝簡單，生產成本低，因該固體電解質基於高深寬比微通道結構，而且該電解質膜較薄，在納米量級，縮短了鋰離子在電解質中的擴散距離，從而提高了鋰離子電池的充電速度。
文檔編號H01M10/0565GK102456920SQ20101052321
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者劉濤, 張華豔, 王振, 王連衛 申請人:上海學子科技創業有限公司, 華東師範大學