專利名稱：一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維鋰離子電池固體電解質(zhì)的制備方法，具體是一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，是將有機(jī)高分子聚合物導(dǎo)入孔徑在微米尺寸結(jié)構(gòu)的通道中，屬于微電子工藝制作領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于移動電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)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(yīng)用前景，必將對未來人們的生活產(chǎn)生深刻的影響。然而，對于車用動力，由于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，可以采用新型的電池結(jié)構(gòu)一一三維結(jié)構(gòu)。早在 2003年，人們就設(shè)想了柱狀電極交互排列的三維微電池結(jié)構(gòu)，并對按幾種不同方式排列的正負(fù)極構(gòu)成的三維電池進(jìn)行了仿真，事實上，它實現(xiàn)的是電極的三維，而電解質(zhì)仍然是二維結(jié)構(gòu)° 在 2006 年 Journal of Power Sources 上發(fā)表的 Advanced materials forthe 3D microbattery文章中公開了用旋涂的方法將有機(jī)固體電解質(zhì)導(dǎo)入通道中。這種方法適于口徑較大，孔深較淺的通道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，實現(xiàn)在高深寬比的硅微通道內(nèi)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(zhì)薄膜。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，其步驟如下1)將硅微通道板(已經(jīng)覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預(yù)處理將所述硅微通道板浸于l^WTriton X-100水溶液中50-70秒。由于硅以及各鍍層與有機(jī)的高分子有機(jī)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(zhì)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,混合后用磁力攪拌至均勻，再加入0. 1-0. 25g的納米S^2或Al2O3粉末，用于提高電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率，然后繼續(xù)攪拌，得到完全溶解的透明液體。3)將步驟1)處理好的樣品置于擦鏡紙上，然后將它們放置在改裝后的勻膠機(jī)托盤上，開真空，并調(diào)節(jié)真空的大小，將它們吸附在托盤上；4)將制備好的電解質(zhì)溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質(zhì)溶液進(jìn)入通道內(nèi)，由于丙酮的易揮發(fā)性，其余的物質(zhì)殘留在微通道內(nèi)壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品范圍的所有微通道中吸入并吸附電解質(zhì)；5)將吸入電解質(zhì)溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C溫度下干燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發(fā)；6)重復(fù)4，5步驟，直到硅微通道內(nèi)壁形成厚度為50-300納米的固體電解質(zhì)膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。所述的硅微通道板，其孔寬為3-5微米，孔深為100-150微米。步驟幻中所述的改裝后的勻膠機(jī)，是將已有的勻膠機(jī)進(jìn)行改裝，把與真空泵相連的軟管直接通向托盤，由于直接吸真空力量太大，而微通道脆而薄，因此利用托盤吸附平面結(jié)構(gòu)的特點，在托盤上放置另一托盤，從而通過調(diào)節(jié)該托盤的位置，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(shè)備要求不高，工藝簡單，生產(chǎn)成本低，因該固體電解質(zhì)基于高深寬比微通道結(jié)構(gòu)，而且該電解質(zhì)膜較薄，在納米量級，縮短了鋰離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散距離，從而提高了鋰離子電池的充電速度。


圖1為硅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(fù)極材料掃描電子電鏡圖；圖4為高分子固體電解質(zhì)掃描電子電鏡圖；圖5為三維鋰離子電池結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖中1、正極材料2、二硫化鉬負(fù)極3、硅襯底4、二硅化鎳電流收集極5、聚合物電解質(zhì)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與具體實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)特點。實施例11)將硅微通道板(已經(jīng)覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預(yù)處理將所述硅微通道板浸于的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,混合后用磁力攪拌至均勻，再加入0. Ig的納米SiA或Al2O3粉末，然后繼續(xù)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)處理好的樣品置于擦鏡紙上，然后將它們放置在改裝后的勻膠機(jī)托盤上，開真空，并調(diào)節(jié)真空的大小至400帕，將它們吸附在托盤上；4)將上述制備好的電解質(zhì)溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質(zhì)溶液進(jìn)入通道內(nèi)，由于丙酮的易揮發(fā)性，其余的物質(zhì)殘留在微通道內(nèi)壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品范圍的所有微通道中吸入并吸附電解質(zhì)；5)將吸入電解質(zhì)溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C溫度下干燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發(fā)；6)重復(fù)4，5步驟，直到硅微通道內(nèi)壁形成厚度為50納米的固體電解質(zhì)膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。實施例2
1)將硅微通道板(已經(jīng)覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預(yù)處理將所述硅微通道板浸于的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,混合后用磁力攪拌至均勻，再加入0. 25g的納米S^2或Al2O3粉末，然后繼續(xù)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)處理好的樣品置于擦鏡紙上，然后將它們放置在改裝后的勻膠機(jī)托盤上，開真空，并調(diào)節(jié)真空的大小至10帕，將它們吸附在托盤上；4)將上述制備好的電解質(zhì)溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質(zhì)溶液進(jìn)入通道內(nèi)，由于丙酮的易揮發(fā)性，其余的物質(zhì)殘留在微通道內(nèi)壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品范圍的所有微通道中吸入并吸附電解質(zhì)；5)將吸入電解質(zhì)溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C溫度下干燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發(fā)；6)重復(fù)4，5步驟，直到硅微通道內(nèi)壁形成厚度為300納米的固體電解質(zhì)膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。實施例31)將硅微通道板(已經(jīng)覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預(yù)處理將所述硅微通道板浸于的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,混合后用磁力攪拌至均勻，再加入0. 2g的納米S^2或Al2O3粉末，然后繼續(xù)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)處理好的樣品置于擦鏡紙上，然后將它們放置在改裝后的勻膠機(jī)托盤上，開真空，并調(diào)節(jié)真空的大小至300帕，將它們吸附在托盤上；4)將上述制備好的電解質(zhì)溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質(zhì)溶液進(jìn)入通道內(nèi)，由于丙酮的易揮發(fā)性，其余的物質(zhì)殘留在微通道內(nèi)壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品范圍的所有微通道中吸入并吸附電解質(zhì)；5)將吸入電解質(zhì)溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C溫度下干燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發(fā)；6)重復(fù)4，5步驟，直到硅微通道內(nèi)壁形成厚度為100納米的固體電解質(zhì)膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。實施例41)將硅微通道板(已經(jīng)覆蓋鎳金屬層和二硫化鉬層)預(yù)處理將所述硅微通道板浸于的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,混合后用磁力攪拌至均勻，再加入0. 15g的納米S^2或Al2O3粉末，然后繼續(xù)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)處理好的樣品置于擦鏡紙上，然后將它們放置在改裝后的勻膠機(jī)托盤上，開真空，并調(diào)節(jié)真空的大小至200帕，將它們吸附在托盤上；4)將上述制備好的電解質(zhì)溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質(zhì)溶液進(jìn)入通道內(nèi)，由于丙酮的易揮發(fā)性，其余的物質(zhì)殘留在微通道內(nèi)壁；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品范圍的所有微通道中吸入并吸附電解質(zhì)；5)將吸入電解質(zhì)溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C溫度下干燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發(fā)；6)重復(fù)4，5步驟，直到硅微通道內(nèi)壁形成厚度為150納米的固體電解質(zhì)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(zhì)制備所依托的骨架。在圖1的硅微通道結(jié)構(gòu)中，孔寬為3-5微米，孔深為100-150微米。在此基礎(chǔ)上，制備一層金屬鎳涂層，作為鋰電池的電流收集極，如圖2所示。在已經(jīng)制備好鎳涂層的硅微通道內(nèi)壁沉積二硫化鉬，作為鋰電池的負(fù)極，如圖3所示。在圖3的基礎(chǔ)上，制備高分子聚合物固體電解質(zhì)。如圖4所示，該薄膜是一種疏松的海綿狀結(jié)構(gòu)，便于吸液和離子傳輸。由于電解質(zhì)溶液具備一定的粘性，將微通道與托盤直接接觸，會使得微通道難以取下或者會使微通道發(fā)生斷裂。將擦鏡紙置于微通道與托盤之間，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(zhì)或者污染。將該電解質(zhì)進(jìn)行吸液測試，發(fā)現(xiàn)吸液性能良好。同時，此真空吸液并吸附的方法適于其他有一定粘度的溶液。整個電池的架構(gòu)如圖5所示，在以二硫化鉬為負(fù)極的時候，我們可以選擇不同的正極材料來構(gòu)成整體的電池。同時，在微通道中先制備好磷酸鐵鋰正極后，也可以依照上述工藝步驟制備高分子有機(jī)固體電解質(zhì)，再采用電泳的方法制備碳石墨負(fù)極。其區(qū)別在于電泳技術(shù)制備時與已經(jīng)制備好的電解質(zhì)之間的兼容性。
權(quán)利要求
1.一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，其特征在于其步驟如下1)將硅微通道板預(yù)處理將所述硅微通道板浸于的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,混合后用磁力攪拌至均勻，再加入0. 1-0. 25g的納米SiO2或Al2O3粉末然后繼續(xù)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)處理好的樣品置于擦鏡紙上，然后將它們放置在改裝后的勻膠機(jī)托盤上， 開真空，并調(diào)節(jié)真空的大小，將它們吸附在托盤上；4)將制備好的電解質(zhì)溶液滴加在微通道表面，在真空的吸附作用下，電解質(zhì)溶液進(jìn)入通道內(nèi)；通過擦鏡紙一起移動樣品，在樣品范圍的所有微通道中吸入并吸附電解質(zhì)；5)將吸入電解質(zhì)溶液的微通道板置于真空干燥箱中80°C溫度下干燥30分鐘，使得丙酮徹底揮發(fā)；6)重復(fù)4，5步驟，直到硅微通道內(nèi)壁形成厚度為50-300納米的固體電解質(zhì)膜，從而形成了一層三維高分子聚合物薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，其特征在于所述的硅微通道板，其孔寬為3-5微米，孔深為100-150微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，其特征在于步驟幻中所述的改裝后的勻膠機(jī)，是將已有的勻膠機(jī)進(jìn)行改裝，把與真空泵相連的軟管直接通向托盤，在托盤上放置另一托盤。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，其特征在于步驟幻中，所述的真空度在1 至500 之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維鋰離子電池固體電解質(zhì)的制備方法，具體是一種基于硅微通道板的三維鋰離子電池的固體電解質(zhì)的制備方法，是將有機(jī)高分子聚合物導(dǎo)入孔徑在微米尺寸結(jié)構(gòu)的通道中，屬于微電子工藝制作領(lǐng)域。包括有機(jī)高分子聚合物薄膜，它是基于高深寬比的硅微通道板，在其壁上形成的電解質(zhì)薄膜。本方法對設(shè)備要求不高，工藝簡單，生產(chǎn)成本低，因該固體電解質(zhì)基于高深寬比微通道結(jié)構(gòu)，而且該電解質(zhì)膜較薄，在納米量級，縮短了鋰離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)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(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者劉濤, 張華艷, 王振, 王連衛(wèi) 申請人:上海學(xué)子科技創(chuàng)業(yè)有限公司, 華東師范大學(xué)