技术领域
[0001] 本
发明涉及新
能源锂离子电池技术领域，特别涉及一种互锁式全固态锂离子电池膜胚及其成型方法和成型装置。
背景技术
[0002] 近年来，具有高
能量密度、高
输出电压和长
循环寿命以及低容量衰落的锂离子电池作为电动
汽车和现代储能系统的主要电源获得了巨大的成功。然而，含有有机液体
电解液的锂离子电池容易发生化学副反应、锂枝晶以及泄露、内部
短路等危险现象。含有固态
聚合物电解质的全固态锂离子电池因具有高安全性而被认为是一种非常有前景的替代品。
[0003] 全固态锂离子电池主要由正负极以及固态聚合物电解质组成。目前，全固态锂离子电池主要通过将不同加工方法制备的正极极片、固态
电解质膜和负极极片进行
冷压成型，每层结构都是简单平面状贴合。这些平面状全固态锂离子电池存在
接触面积小、各层界面粘合
力差、受到弯曲作用时各层容易剥离等问题。
[0004] 在现有的锂离子电池制作工艺中，其中固态聚合物电解质膜常采用溶液浇铸法制备。具体过程是把经过干燥处理的原料定量的加入到
溶剂中，通过磁力搅拌或
超声波混合等方式搅拌均匀，然后把混合均匀的溶液浇铸到聚四氟乙烯模具中，通过一定的条件使得溶剂挥发，从而得到固态聚合物电解质
薄膜。但在实际应用中，通过该方式制备出来的薄膜由于溶剂挥发，不可避免的会具有一定的孔隙并且表面平整度较差，需要再
热压定型处理，其工艺过程复杂。
[0005] 而锂离子电池的正负极则由正
负极材料、导电剂、胶粘剂以及集
流体等组成。通过用专
门的溶剂和胶粘剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质，然后通过自动涂布机将正负极浆料分别均匀地涂覆在金属箔表面，经烘干后剪切制成正负极极片。
[0006] 最后再将制备出来的正负极极片和固态聚合物电解质薄膜通过
手套箱直接室温冷压组装成全固态锂离子电池。
[0007] 上述锂离子电池的制作过程中，采用溶液浇铸法制备电池，电池生产周期较长，并且固态电解质薄膜与正负极极片是二维的固固接触模式，即使采用改变胶粘剂的配方及提高胶粘剂的含量等措施来改善，其聚合物固态电解质膜和正、负极极片的界面接触面积和界面接触效果仍然不理想，进而影响到
柔性电池的制备以及整个电池的总体性能。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种互锁式全固态锂离子电池膜胚，该电池膜胚具有三维互锁结构，其聚合物固态电解质膜与正、负极极片之间的界面接触面积较大、接触结构稳定，可有效避免电池在弯曲时容易发生界面脱落而影响性能的现象。
[0009] 本发明的另一目的在于提供一种上述互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法，该成型方法为共挤-压印成型方法，一方面可有效缩短锂离子电池的生产周期，另一方面可有效提高锂离子电池的结构
稳定性。
[0010] 本发明的又一目的在于提供一种上述互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置。
[0011] 本发明的技术方案为：一种互锁式全固态锂离子电池膜胚，为带有整体式互锁结构的一体式多层结构，包括相连接的正极极片和聚合物固态电解质膜；整体式互锁结构为多层结构相
叠加的凹槽状或凸起状的相嵌结构。
[0012] 进一步地，所述锂离子电池还包括负极极片，正极极片、聚合物固态电解质膜和负极极片依次连接且三者之间形成整体式互锁结构。
[0013] 该结构中，通过在多层结构之间直接成型凹槽状或凸起状的相嵌结构，使聚合物固态电解质膜与其两侧或一侧的正极极片、负极极片之间形成三维互锁结构，具有良好的界面接触效果，同时该接触结构稳定，可有效避免电池在弯曲时发生界面脱落的现象，为柔性锂离子电池的开发奠定
基础。
[0014] 所述正极极片包括正极集流体和正极
活性层，正极活性层设于聚合物固态电解质膜与正极集流体之间，正极活性层与聚合物固态电解质膜共同挤出形成一体结构。
[0015] 所述负极极片包括负极集流体和负极活性层，负极活性层设于聚合物固态电解质膜和负极集流体之间，正极活性层、聚合物固态电解质膜和负极活性层三者共同挤出形成一体结构。
[0016] 所述正极集流体为
铝箔层，负极集流体为
铜箔层或锂金属层。
[0017] 本发明一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法，先采用共挤方式，将聚合物固态电解质膜和正极活性层共同挤出成型，形成初级膜胚；然后在正极活性层的一侧复合正极集流体，采用压印机流延
热压成型，使初级膜胚与正极集流体在复合的同时形成凹槽状或凸起状的整体式互锁结构。
[0018] 锂离子电池膜胚成型后，采用手套箱，在聚合物固态电解质膜的一侧复合负极极片；位于聚合物固态电解质膜另一侧的正极活性层和正极集流体形成正极极片。
[0019] 所述共同挤出成型时，聚合物固态电解质膜采用熔融挤出的方式，正极活性层采用熔融挤出或溶液挤出的方式。
[0020] 所述正极活性层采用溶液挤出的方式时，正极集流体采用具有多孔结构的铝箔。
[0021] 本发明另一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法，先采用共挤方式，将正极活性层、聚合物固态电解质膜和负极活性层共同挤出成型，形成初级膜胚；然后在正极活性层的一侧复合正极集流体，同时在负极活性层的一侧复合负极集流体，采用压印机流延热压成型，使正极集流体、初级膜胚和负极集流体三者在复合的同时形成凹槽状或凸起状的整体式互锁结构。
[0022] 所述共同挤出成型时，聚合物固态电解质膜采用熔融挤出的方式，正极活性层采用熔融挤出或溶液挤出的方式，负极活性层采用熔融挤出或溶液挤出的方式。
[0023] 所述正极活性层采用溶液挤出的方式时，正极集流体采用具有多孔结构的铝箔；负极活性层采用溶液挤出的方式时，负极集流体采用具有多孔结构的铜箔。
[0024] 上述两种成型方法中，采用熔融挤出的方式成型聚合物固态电解质膜，具有生产周期短、电解质膜表面平整光滑、不存在因溶剂挥发而产生的空隙、对环境友好等优点。而正极活性层和负极活性层的共挤过程中，采用熔融挤出的方式时，可达到非常好的界面贴合效果；采用溶液挤出的方式时，可有效降低胶粘剂含量，提高正极活性层、负极活性层中活性材料和导电剂的含量，从而提高正极极片、负极极片的性能。
[0025] 同时，这两种成型方法中，在完成共挤后
马上进入流延热压成型，此时，聚合物固态电解质膜处于熔融状态，正极活性层和负极活性层处于浆状或熔融状态，处于该状态的材料，通过流延热压，能保证很好的界面接触效果。
[0026] 上述互锁式全固态锂离子电池膜胚成型后即具有三维互锁式结构，再经过
真空干燥等后续处理即可卷曲收集。
[0027] 本发明一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置，包括第一
挤出机、第三挤出机、
多层共挤模头、正极集流体套筒和压印机，第一挤出机的机头和第三挤出机的机头共同连接多层共挤模头，正极集流体套筒设于多层共挤模头的外侧，由多层共挤模头成型的初级膜胚和来自正极集流体套筒的正极集流体共同进入压印机；压印机中的
真空成型辊筒表面分布有若干凹槽。
[0028] 本发明另一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置，包括第一挤出机、第二挤出机、第三挤出机、多层共挤模头、正极集流体套筒、负极集流体套筒和压印机，第一挤出机的机头、第二挤出机的机头和第三挤出机的机头共同连接多层共挤模头，正极集流体套筒和负极集流体套筒分别设于多层共挤模头的外侧，由多层共挤模头成型的初级膜胚、来自正极集流体套筒的正极集流体和来自负极集流体套筒的负极集流体共同进入压印机；压印机中的真空成型辊筒表面分布有若干凹槽。
[0029] 上述两种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置中，所述压印机中设有热压成型辊组，包括相配合的真空成型辊筒和辅助成型辊筒，辅助成型辊筒的表面为光滑面或分布有若干与真空成型辊筒表面凹槽相配合的突起。
[0030] 所述真空成型辊筒表面的凹槽中还分布有若干通孔，各通孔通过真空成型辊筒内部的流道外接抽真空机构。真空成型辊筒内部的流道设计与现有真空辊相同或相似即可。当真空成型辊筒抽真空时，贴近真空成型辊筒的膜胚会受到
挤压力和真空吸力的双重作用而贴紧真空成型辊筒，从而压印复制真空成型辊筒表面的结构。
[0031] 根据锂离子电池的实际需要，真空成型辊表面的凹槽可设计成六边形、四边形、圆形、蜂窝状等多种形状。当由多层共挤模头成型的初级膜胚、来自正极集流体套筒的正极集流体和来自负极集流体套筒的负极集流体共同进入压印机时，受到压印机热压成型辊组的流延热压作用，电池膜胚各层被
压实。并且真空成型辊筒内进行抽真空，与真空成型辊筒贴合的一侧受到挤压力和真空吸力的双重作用，经过压印机的流延热压后，真空成型辊筒的凹槽结构被反向复印到电池膜胚中，从而制备出本互锁式全固态锂离子电池膜胚。
[0032] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0033] 本互锁式全固态锂离子电池膜胚具有三维互锁结构，其聚合物固态电解质膜与正、负极极片之间的界面接触面积较大、接触结构稳定，可有效避免电池在弯曲时容易发生界面脱落而影响性能的现象，为柔性锂离子电池的研究奠定基础。
[0034] 本互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法采用共挤-压印的成型方式，可实现连续一次成型具有三维互锁结构的锂离子电池膜胚，可有效缩短锂离子电池的生产周期，具有较高的生产效率，先通过共挤方式成型聚合物固态电解质膜和正极活性层、负极活性层，再通过流延压印的方式对处于熔融状态或熔融-溶液状态的初级膜胚和正极集流体、负极集流体进行贴合，同时压印成型其三维互锁结构，使制得的锂离子电池膜胚具有接触效果好、接触结构稳定等优点，使锂离子电池整体性能得到有效提升。
[0035] 本互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置中，通过对真空成型辊筒的表面结构进行改进，使聚合物固态电解质膜与正极极片、负极极片在压印贴合的同时形成三维互锁结构，配合挤出机和多层共挤模头的使用，该装置原理简单，但可较好地适用于上述互锁式全固态锂离子电池膜胚的制作，具有较好的应用前景。
附图说明
[0036] 图1为本互锁式全固态锂离子电池膜胚的结构示意图。
[0037] 图2为
实施例2互锁式全固态锂离子电池膜胚成型方法的原理示意图。
[0038] 图3为真空成型辊筒的结构示意图。
[0039] 图4为实施例3互锁式全固态锂离子电池膜胚成型方法的原理示意图。
[0040] 图5为实施例4互锁式全固态锂离子电池膜胚成型方法的原理示意图。
[0041] 图6为实施例5互锁式全固态锂离子电池膜胚成型方法的原理示意图。
[0042] 上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为正极集流体，2为正极活性层，3为聚合物固态电解质膜，4为负极活性层，5为负极集流体，6为整体式互锁结构，7为第一挤出机，8为第二挤出机，9为第三挤出机，10为多层共挤模头，11为初级膜胚，12为负极集流体套筒，13为正极集流体套筒，14为辅助成型辊筒，15为真空成型辊筒，16为收集辊筒，17为凹槽，18为真空干燥箱。
具体实施方式
[0043] 下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0044] 实施例1
[0045] 本实施例一种互锁式全固态锂离子电池膜胚，如图1所示，为带有整体式互锁结构6的一体式多层结构，包括正极极片、聚合物固态电解质膜3和负极极片，正极极片、聚合物固态电解质膜和负极极片依次连接且三者之间形成整体式互锁结构；整体式互锁结构为多层结构相叠加的凹槽状或凸起状的相嵌结构，本实施例中为凸台状结构。
[0046] 其中，正极极片包括正极集流体1和正极活性层2，正极活性层设于聚合物固态电解质膜与正极集流体之间；负极极片包括负极活性层4和负极集流体5，负极活性层设于聚合物固态电解质膜和负极集流体之间，正极活性层、聚合物固态电解质膜和负极活性层三者共同挤出形成一体结构。
[0047] 一般情况下，正极集流体可采用铝箔层，负极集流体可采用铜箔层或锂金属层。
[0048] 该互锁式全固态锂离子电池膜胚结构中，通过在多层结构之间直接成型凹槽状或凸起状的相嵌结构，使聚合物固态电解质膜与其两侧或一侧的正极极片、负极极片之间形成三维互锁结构，具有良好的界面接触效果，同时该接触结构稳定，可有效避免电池在弯曲时发生界面脱落的现象，为柔性锂离子电池的开发奠定基础。
[0049] 实施例2
[0050] 本实施例一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法及装置，适用于将聚合物固态电解质膜、正极极片和负极极片三者共同加工成型。
[0051] 如图2所示，互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置包括第一挤出机7、第二挤出机8、第三挤出机9、多层共挤模头10、负极集流体套筒12、正极集流体套筒13和压印机，第一挤出机的机头、第二挤出机的机头和第三挤出机的机头共同连接多层共挤模头，正极集流体套筒和负极集流体套筒分别设于多层共挤模头的外侧，由多层共挤模头成型的初级膜胚11、来自正极集流体套筒的正极集流体1和来自负极集流体套筒的负极集流体5共同进入压印机；压印机中的真空成型辊筒15表面分布有若干凹槽17(如图3所示)。
[0052] 压印机中设有热压成型辊组，包括相配合的辅助成型辊筒14和真空成型辊筒15，辅助成型辊筒的表面为光滑面或分布有若干与真空成型辊筒表面凹槽相配合的凸起，本实施例中，辅助成型辊筒采用表面为光滑面的结构。此外，真空成型辊筒的两侧分别设有辅助成型辊筒，可有效延长初级膜胚与正、负极集流体之间的贴合时间，进一步保障其贴合效果。完成贴合后形成的锂离子电池膜胚由收集辊筒16进行收卷。
[0053] 真空成型辊筒表面的凹槽中还分布有若干通孔，各通孔通过真空成型辊筒内部的流道外接抽真空机构。真空成型辊筒内部的流道设计与现有真空辊相同或相似即可。当真空成型辊筒抽真空时，贴近真空成型辊筒的膜胚会受到挤压力和真空吸力的双重作用而贴紧真空成型辊筒，从而压印复制真空成型辊筒表面的结构。
[0054] 根据锂离子电池的实际需要，真空成型辊表面的凹槽可设计成六边形、四边形、圆形、蜂窝状等多种形状。当由多层共挤模头成型的初级膜胚、来自正极集流体套筒的正极集流体和来自负极集流体套筒的负极集流体共同进入压印机时，受到压印机热压成型辊组的流延热压作用，电池膜胚各层被压实。并且真空成型辊筒内进行抽真空，与真空成型辊筒贴合的一侧受到挤压力和真空吸力的双重作用，经过压印机的流延热压后，真空成型辊筒的凹槽结构被反向复印到电池膜胚中，从而制备出本互锁式全固态锂离子电池膜胚。如图3所示，本实施例中真空成型辊筒表面的凹槽设计成正六边形形状。
[0055] 通过上述装置实现的互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法是：如图2所示，先采用共挤方式，将正极活性层、聚合物固态电解质膜和负极活性层共同挤出成型，形成初级膜胚11；然后在正极活性层的一侧复合正极集流体1，同时在负极活性层的一侧复合负极集流体5，采用压印机流延热压成型，使正极集流体、初级膜胚和负极集流体三者在复合的同时形成凹槽状或凸起状的整体式互锁结构。
[0056] 上述成型方法中，共同挤出成型时，聚合物固态电解质膜采用熔融挤出的方式，正极活性层采用熔融挤出或溶液挤出的方式，负极活性层采用熔融挤出或溶液挤出的方式。正极活性层采用溶液挤出的方式时，正极集流体采用具有多孔结构的铝箔；负极活性层采用溶液挤出的方式时，负极集流体采用具有多孔结构的铜箔。
[0057] 其中，采用熔融挤出的方式成型聚合物固态电解质膜，具有生产周期短、电解质膜表面平整光滑、不存在因溶剂挥发而产生的空隙、对环境友好等优点。而正极活性层和负极活性层的共挤过程中，采用熔融挤出的方式时，可达到非常好的界面贴合效果；采用溶液挤出的方式时，可有效降低胶粘剂含量，提高正极活性层、负极活性层中活性材料和导电剂的含量，从而提高正极极片、负极极片的性能。
[0058] 同时，在该成型方法中，在完成共挤后马上进入流延热压成型，此时，聚合物固态电解质膜处于熔融状态，正极活性层和负极活性层处于浆状或熔融状态，处于该状态的材料，通过流延热压，能保证很好的界面接触效果。
[0059] 实施例3
[0060] 本实施例一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法及装置，与实施例2相比较，其不同之处在于：如图4所示，压印机与收集辊筒之间还设有真空干燥箱18，互锁式全固态锂离子电池膜胚成型后即具有三维互锁式结构，再经过真空干燥箱进一步干燥处理后进行收集。该成型装置更适用于正极活性层和负极活性层采用溶液挤出的方式成型时使用。其中各挤出机、多层共挤模头、压印机除真空成型辊筒外的其他组成部件、真空干燥箱等均可使用传统的相应装置。
[0061] 实施例4
[0062] 本实施例一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法及装置，适用于将聚合物固态电解质膜和正极极片两者共同加工成型，再后续加工贴合负极极片。
[0063] 如图5所示，互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型装置包括第一挤出机7、第三挤出机9、多层共挤模头10、正极集流体套筒13和压印机，第一挤出机的机头和第三挤出机的机头共同连接多层共挤模头，正极集流体套筒设于多层共挤模头的外侧，由多层共挤模头成型的初级膜胚和来自正极集流体套筒的正极集流体共同进入压印机；压印机中的真空成型辊筒表面分布有若干凹槽。
[0064] 压印机中设有热压成型辊组，包括相配合的真空成型辊筒和辅助成型辊筒，辅助成型辊筒的表面为光滑面或分布有若干与真空成型辊筒表面凹槽相配合的凸起，本实施例中，辅助成型辊筒采用表面为光滑面的结构。此外，真空成型辊筒的两侧分别设有辅助成型辊筒，可有效延长初级膜胚与正、负极集流体之间的贴合时间，进一步保障其贴合效果。完成贴合后形成的锂离子电池膜胚由收集辊筒进行收卷。
[0065] 真空成型辊筒表面的凹槽中还分布有若干通孔，各通孔通过真空成型辊筒内部的流道外接抽真空机构。真空成型辊筒内部的流道设计与现有真空辊相同或相似即可。当真空成型辊筒抽真空时，贴近真空成型辊筒的膜胚会受到挤压力和真空吸力的双重作用而贴紧真空成型辊筒，从而压印复制真空成型辊筒表面的结构。
[0066] 根据锂离子电池的实际需要，真空成型辊表面的凹槽可设计成六边形、四边形、圆形、蜂窝状等多种形状。当由多层共挤模头成型的初级膜胚、来自正极集流体套筒的正极集流体和来自负极集流体套筒的负极集流体共同进入压印机时，受到压印机热压成型辊组的流延热压作用，电池膜胚各层被压实。并且真空成型辊筒内进行抽真空，与真空成型辊筒贴合的一侧受到挤压力和真空吸力的双重作用，经过压印机的流延热压后，真空成型辊筒的凹槽结构被反向复印到电池膜胚中，从而制备出本互锁式全固态锂离子电池膜胚。本实施例中真空成型辊筒表面的凹槽也设计成正六边形形状。
[0067] 通过上述装置实现的互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法是：先采用共挤方式，将聚合物固态电解质膜和正极活性层共同挤出成型，形成初级膜胚；然后在正极活性层的一侧复合正极集流体，采用压印机流延热压成型，使初级膜胚与正极集流体在复合的同时形成凹槽状或凸起状的整体式互锁结构。
[0068] 锂离子电池膜胚成型后，采用手套箱，在聚合物固态电解质膜的一侧复合负极极片(该步骤采用传统工艺即可)；位于聚合物固态电解质膜另一侧的正极活性层和正极集流体形成正极极片。
[0069] 上述成型方法中，共同挤出成型时，聚合物固态电解质膜采用熔融挤出的方式，正极活性层采用熔融挤出或溶液挤出的方式。正极活性层采用溶液挤出的方式时，正极集流体采用具有多孔结构的铝箔。
[0070] 实施例5
[0071] 本实施例一种互锁式全固态锂离子电池膜胚的成型方法及装置，与实施例4相比较，其不同之处在于：如图6所示，压印机与收集辊筒之间还设有真空干燥箱18，互锁式全固态锂离子电池膜胚成型后即具有三维互锁式结构，再经过真空干燥箱进一步干燥处理后进行收集。该成型装置更适用于正极活性层采用溶液挤出的方式成型时使用。其中各挤出机、多层共挤模头、压印机除真空成型辊筒外的其他组成部件、真空干燥箱等均可使用传统的相应装置。
[0072] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明
权利要求所要求保护的范围所涵盖。
