粉末喷涂在全固态电池中的应用

中国粉体网讯  固态电解质作为全固态电池的重要组成部分，其制备方法有很多种，其中干法制备方法备受关注。干法制膜技术可以制造高能量密度和更优异循环性能的硫化物全固态电池。

硫化物固态电解质具有与液体电解质相当甚至优于液体电解质的高离子电导率和高离子迁移数，有制备超高能量密度全固态电池的潜力，是一种非常理想的电解质材料。然而，硫化物固态电解质的化学/电化学稳定性较差，因此需要专注于提高硫化物固态电解质的空气稳定性和界面稳定性。

为了提高硫化物全固态电池能量密度，降低电极层固态电解质含量和电解质层厚度是必不可少的。因此，用电解质包覆活性材料是构建锂离子导电网络、降低电极层电解质含量的一种有效方法。粉末喷涂、粘结剂原纤维化、粉末压片和气相沉积等干法制备电解质技术非常适合降低电解质层厚度。同时，这些方法通常不需要使用有机溶剂或水等大量溶剂，在改善界面层性能的同时也可以避免由于溶剂残留导致的污染和环保问题，因此开发干法电解质膜制备技术应用前景广阔。

其中，粉末喷涂法是一种有效的固态电解质膜制备方法，在工业化生产和应用方面有着广泛的应用前景。

干喷法/静电喷涂，是直接将干粉喷涂在基材上。通过向喷嘴针头施加高压，流体化的干粉颗粒带电。带电后，干粉颗粒将会在电场力的作用下沉积在接地的集流体上。该方法能够实现电极与集流体之间的良好接触、消除蒸发溶剂所需要的等待时间。同时，电极的载量和形貌也得到了控制。

静电喷涂解决了湿涂层法带来的涂层厚、涂层不均匀的问题。随着技术的发展，粉末喷涂逐渐应用于储能领域。2002年，TDK公司在其专利中采用静电粉末喷涂法将电极材料混合物涂覆在集流体上制备燃料电池的电极。后来，这种方法被应用于生产超级电容器、液态锂离子电池和全固态电池等储能装置。

用于制备固态电解质膜时，首先准备好电解质、粘结剂等混合粉体并控制其粒径分布，必要时去除颗粒间的聚集；然后将粉体置于供料器中以便按需供给一定量的稳定流动的粉体。供入喷嘴的粉体会在喷嘴出口处受强电场作用带上电荷并在气体压力下喷射加速飞出。

在自由飞行过程中，带电粉体颗粒之间存在强烈的静电斥力，保持良好的分散状态。当飞行至预设导电基体表面附近时，粉体颗粒会受基底电荷层库伦引力作用吸附于其表面。最后沉积的电解质粉末层经过熔化热轧形成所需的固态电解质膜，但这种方法需要使用较多的粘合剂（>5%），粘合剂熔化后会粘附在电极颗粒表面形成绝缘层，阻碍离子和电子的传导。

为了解决这一问题，许多科研人员和企业开始了无粘合剂制备全固态电池电极和电解质膜的研究。其中，日本丰田汽车公司和日立造船株式会社利用硫化物固态电解质优异的机械性能，成功开发出了无粘合剂制备全固态电池电极和电解质膜的方法。

他们将电极粉体带上静电，然后在筛网和集电体之间的电场作用下，沉积在集流体上，然后再依次沉积电解质层和另一侧的电极。接下来对电极和电解质层施加足够的压力，施加压力可使硫化固态电解质产生一定程度的变形，使粉体成型。这种膜制备方法可以制备薄的电解质层（<50µm），从而获得兼具高容量、优异倍率性能和相对高负载的全固态电池。该方法的关键是制备厚度均匀的电极和电解质层。

参考来源：

[1]电极和相关材料的干法制备技术，李庆盈等，华南师范大学信息光电子科技学院

[2]干法成型电极技术的研究进展，刘凝，武汉船用电力推进装置研究所

（中国粉体网编辑整理/平安）

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