可逆离子液体基粘结剂、浆料组合物、电解质层及锂电池的制作方法

本申请涉及锂电池，尤其涉及一种可逆离子液体基粘结剂、浆料组合物、电解质层及锂电池。

背景技术：

1、传统液态锂离子电池中含有大量的电解液，极易造成安全隐患。一旦电池内部发生短路、过充热失控或电解液泄漏等情况，可能会造成电池起火等安全事故。全固态锂离子电池由于采用了固态电解质替代传统的液态电解液，有望在解决锂离子电池安全问题的同时，进一步提升电池的容量、功率和寿命，符合未来高安全性高能量密度锂离子电池发展的方向。目前，使用高比容量的锂金属负极材料和氧化物陶瓷固体电解质的全固态锂电池是被广泛认为能满足需求的下一代电池。陶瓷电解质可耐受1000℃以上的高温，因此，使用陶瓷电解质的电池可有效避免起火爆炸风险。

2、然而，氧化物陶瓷固体电解质的密度远高于传统的液态电解液和聚合物隔膜，且制备方法多为冷压烧结，厚度普遍大于200μm，这将严重抵消高比容量的锂金属负极所带来的能量密度优势。同时由于氧化物非常坚硬，导致固态电池存在刚性界面接触问题，在简单的室温冷压情况下，电池的孔隙率非常高，可能导致电池无法正常工作。因此要实现较高能量密度的氧化物基全固态电池，电解质中间层需要做得非常薄，这样不仅能提高电池的能量密度，还能降低固态电解质层的离子电导要求。针对以上问题，提供一种新的氧化物电解质制备工艺，以制备足够薄的氧化物固态电解质层的同时提高界面间的结合。

技术实现思路

1、本申请提供了一种可逆离子液体基粘结剂、浆料组合物、电解质层及锂电池，以解决如下技术问题：如何制备足够薄的氧化物固态电解质层的同时提高界面间的结合。

2、第一方面，本申请提供了一种可逆离子液体基粘结剂，所述粘结剂用于锂电池的固态电解质，所述粘结剂的组分包括：离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂，所述离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂的质量比为(5～9):(0.5～2.5):(0.5～2.5)。

3、可选的，所述离子液体为咪唑类离子液体，所述丙烯酰胺单体为n,n-二甲基丙烯酰胺，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，所述咪唑类离子液体、所述n,n-二甲基丙烯酰胺及所述聚乙二醇二丙烯酸酯的质量比为(6～8):(1～2):(1～2)。

4、可选的，所述咪唑类离子液体的阳离子包括：1-烷基咪唑、1-烷基-3-甲基咪唑及1-烷基-2,3-二甲基咪唑中的一种或多种，所述咪唑类离子液体的阴离子包括：氯、溴、碘、四氟硼酸、六氟磷酸、醋酸、双三氟甲烷磺酰亚胺、硝酸、高氨酸、硫酸氢、磷酸二氢、三氟甲烷磺酸、三氟乙酸及对甲苯磺酸中的一种或多种。

5、第二方面，本申请提供了一种浆料组合物，所述浆料组合物用于锂电池的固态电解质，所述浆料组合物包括：第一方面中任意一项实施例所述的粘结剂、氧化物电解质粉体及分散剂。

6、可选的，以质量分数计，所述粘结剂的含量为50％～80％，所述氧化物电解质粉体的含量为20％～50％，所述分散剂的含量为0.05％～5％。

7、可选的，所述氧化物电解质粉体包括：锂镧锆氧、磷酸钛铝锂及钛酸锂镧中的一种或多种，所述氧化物电解质粉体的粒径为0.1μm～0.3μm；所述分散剂包括聚乙烯醇及聚乙烯醇缩醛中的一种或多种。

8、第三方面，本申请提供了一种超薄氧化物电解质层，所述电解质层由第二方面任意一项实施例所述的浆料组合物经固化后形成，所述电解质层满足如下至少一种性能：厚度≤20μm，离子电导率≥0.45ms/cm，剥离强度≥3.5n/m。

9、第四方面，本申请提供了一种第三方面实施例所述的超薄氧化物电解质层的制备方法，所述方法包括：

10、将离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂进行混合并加热融化，得到粘结剂；

11、将所述粘结剂、氧化物电解质粉体及分散剂进行混合，得到浆料组合物；

12、将所述浆料组合物涂覆于硬质基板的表面，后进行加热烘烤及光固化，得到具有超薄氧化物电解质层的基板。

13、可选的，所述加热烘烤的温度为80℃～100℃，所述光固化采用365nm紫外线。

14、第五方面，本申请提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括第三方面实施例所述的超薄氧化物电解质层。

15、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

16、本申请提供了一种可逆离子液体基粘结剂，所述粘结剂用于锂电池的固态电解质，所述粘结剂的组分包括：离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂，所述离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂的质量比为(5～9):(0.5～2.5):(0.5～2.5)。通过合理设计可逆离子液体基粘结剂粘结剂的组分和含量，单体和交联剂形成三维网状结构的交联聚合物，同时离子液体作为调节聚合的主体，两者共同形成离子液体凝胶作为粘结剂的有效组分。当所制备的离子液体凝胶冷却到相变温度以下时，粘结剂会在凝胶/基底之间形成了一层薄且硬的离子晶体，从而赋予其较高的粘附性；在高于离子液体的相变温度下，离子液体凝胶逐渐变成软弹性，粘附力降低并消失，因此可表现出优异的粘附可逆性。可以利用可逆粘结剂不同条件下粘结性的差异，实现锂电池的电解质膜的有效脱模及与电极间的紧密结合两种不同需求，从而可以制备足够薄的氧化物固态电解质层。并且制备的电解质层在具备超高强度的同时在常温下具有一定的粘结性，可改善固态电解质界面接触不良的问题。从而在制备足够薄的氧化物固态电解质层的同时提高界面间的结合。

技术特征：

1.一种可逆离子液体基粘结剂，其特征在于，所述粘结剂用于锂电池的固态电解质，所述粘结剂的组分包括：离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂，所述离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂的质量比为(5～9):(0.5～2.5):(0.5～2.5)。

2.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于，所述离子液体为咪唑类离子液体，所述丙烯酰胺单体为n,n-二甲基丙烯酰胺，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，所述咪唑类离子液体、所述n,n-二甲基丙烯酰胺及所述聚乙二醇二丙烯酸酯的质量比为(6～8):(1～2):(1～2)。

3.根据权利要求2所述的粘结剂，其特征在于，所述咪唑类离子液体的阳离子包括：1-烷基咪唑、1-烷基-3-甲基咪唑及1-烷基-2,3-二甲基咪唑中的一种或多种，所述咪唑类离子液体的阴离子包括：氯、溴、碘、四氟硼酸、六氟磷酸、醋酸、双三氟甲烷磺酰亚胺、硝酸、高氨酸、硫酸氢、磷酸二氢、三氟甲烷磺酸、三氟乙酸及对甲苯磺酸中的一种或多种。

4.一种浆料组合物，其特征在于，所述浆料组合物用于锂电池的固态电解质，所述浆料组合物包括：权利要求1～3任意一项所述的粘结剂、氧化物电解质粉体及分散剂。

5.根据权利要求4所述的浆料组合物，其特征在于，以质量分数计，所述粘结剂的含量为50％～80％，所述氧化物电解质粉体的含量为20％～50％，所述分散剂的含量为0.05％～5％。

6.根据权利要求5所述的浆料组合物，其特征在于，所述氧化物电解质粉体包括：锂镧锆氧、磷酸钛铝锂及钛酸锂镧中的一种或多种，所述氧化物电解质粉体的粒径为0.1μm～0.3μm；所述分散剂包括聚乙烯醇及聚乙烯醇缩醛中的一种或多种。

7.一种超薄氧化物电解质层，其特征在于，所述电解质层由权利要求4～6任意一项所述的浆料组合物经固化后形成，所述电解质层满足如下至少一种性能：厚度≤20μm，离子电导率≥0.45ms/cm，剥离强度≥3.5n/m。

8.一种权利要求7所述的超薄氧化物电解质层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加热烘烤的温度为80℃～100℃，所述光固化采用365nm紫外线。

10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求7所述的超薄氧化物电解质层。

技术总结
本发明提供了一种可逆离子液体基粘结剂、浆料组合物、电解质层及锂电池，属于锂电池领域。粘结剂用于锂电池的固态电解质，粘结剂的组分包括：离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂，离子液体、丙烯酰胺单体及交联剂的质量比为(5～9):(0.5～2.5):(0.5～2.5)。通过合理设计可逆离子液体基粘结剂粘结剂的组分和含量，单体和交联剂形成三维网状结构的交联聚合物，同时离子液体作为调节聚合的主体，两者共同形成离子液体凝胶作为粘结剂的有效组分，可以利用可逆粘结剂不同条件下粘结性的差异，实现锂电池的电解质膜的有效脱模及与电极间的紧密结合两种不同需求从而在制备足够薄的氧化物固态电解质层的同时提高界面间的结合。

技术研发人员：程进,杨丽,张薇,韩玉芬,孟玉航
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/17