权利要求

1.一种全固态电池，其特征在于，包括正极片、负极片和位于所述正极片和所述负极片之间的电解质层;所述正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，所述正极活性物质层的一侧间隔涂覆有绝缘层，所述负极片的周向边缘与所述绝缘层搭接。

2.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，所述绝缘层为绝缘框。

3.根据权利要求1所述的全固态电池，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1-10μm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的全固态电池，其特征在于，所述正极片还包括粘结层，所述粘结层位于所述正极集流体层和所述正极活性物质层之间。

5.一种全固态电池的制备方法，其特征在于，包括：

将正极集流体层、正极活性物质层辊压覆合，得到正极片;

在所述正极片中所述正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，得到涂覆绝缘层的正极片;

将所述涂覆绝缘层的正极片与电解质层覆合后进行模切，并与负极片叠片，得到所述全固态电池。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述正极片中所述正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，得到涂覆绝缘层的正极片，包括：

采用凹版辊将绝缘层辊压至所述正极片中所述正极活性物质层一侧，得到涂覆绝缘层的正极片;

或者，在所述正极片中所述正极活性物质层一侧间隔喷涂绝缘层材料，得到涂覆绝缘层的正极片;

或者，采用3D打印，将绝缘材料间隔涂覆于所述正极片中所述正极活性物质层一侧，得到涂覆绝缘层的正极片。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述正极片中所述正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，得到涂覆绝缘层的正极片，包括：

绝缘材料包含固化材料时，在所述正极片中所述正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，并进行固化处理，得到涂覆绝缘层的正极片。

8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将所述涂覆绝缘层的正极片与电解质层覆合，包括：

将所述涂覆绝缘层的正极片与自支撑电解质层辊压覆合。

9.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将所述涂覆绝缘层的正极片与电解质层覆合，包括：

将电解质材料涂覆于集流体膜，形成电解质层;

将所述涂覆绝缘层的正极片与所述电解质层辊压覆合，并将所述集流体膜收卷。

10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的全固态电池或采用权利要求5-9任一项所述的制备方法制备得到的全固态电池。

说明书

技术领域

[0001]本申请涉及固态电池技术领域，尤其涉及一种全固态电池及其制备方法、用电设备。

背景技术

[0002]全固态电池因其高能量密度和优异的安全性成为下一代动力电池的研究重点。与液态锂离子电池不同，全固态电池采用固体电解质替代传统液态电解液，从而避免了漏液、燃烧等安全隐患，并有望突破现有锂离子电池的能量密度瓶颈。

[0003]目前，全固态电池的制备主要涉及电极制备、电解质成型和界面优化三个关键环节。电极制备工艺包括干法压合和湿法涂布两种：干法工艺通过机械混合活性物质、固态电解质和导电剂后压制成型;湿法工艺采用溶剂分散浆料涂布。电解质层通常采用冷等静压、流延成型或原位聚合等方法制备。界面优化则是在电芯封装后侧面涂覆绝缘树脂，从而降低全固态电池在使用过程中的短路风险。

[0004]然而，发明人研究发现，上述全固态电池在使用过程中的短路风险仍然较高。

发明内容

[0005]本申请实施例提供全固态电池及其制备方法、用电设备，用以达到改善全固态电池使用过程中绝缘性能的效果。

[0006]第一方面，本申请实施例提供一种全固态电池，包括正极片、负极片和位于正极片和负极片之间的电解质层;正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，正极活性物质层的一侧间隔涂覆有绝缘层，负极片的周向边缘与绝缘层搭接。

[0007]在一种可能的实施方式中，绝缘层为绝缘框。

[0008]在一种可能的实施方式中，绝缘层的厚度为1-10μm。

[0009]在一种可能的实施方式中，正极片还包括粘结层，粘结层位于正极集流体层和正极活性物质层之间。

[0010]第二方面，本申请实施例提供一种全固态电池的制备方法，包括：

[0011]将正极集流体层、正极活性物质层辊压覆合，得到正极片;

[0012]在正极片中正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，得到涂覆绝缘层的正极片;

[0013]将涂覆绝缘层的正极片与电解质层覆合后进行模切，并与负极片叠片，得到全固态电池。

[0014]在一种可能的实施方式中，在正极片中正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，得到涂覆绝缘层的正极片，包括：

[0015]采用凹版辊将绝缘层辊压至正极片中正极活性物质层一侧，得到涂覆绝缘层的正极片;

[0016]或者，在正极片中正极活性物质层一侧间隔喷涂绝缘层材料，得到涂覆绝缘层的正极片;

[0017]或者，采用3D打印，将绝缘材料间隔涂覆于正极片中正极活性物质层一侧，得到涂覆绝缘层的正极片。

[0018]在一种可能的实施方式中，在正极片中正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，得到涂覆绝缘层的正极片，包括：

[0019]绝缘材料包含固化材料时，在正极片中正极活性物质层一侧间隔涂覆绝缘层，并进行固化处理，得到涂覆绝缘层的正极片。

[0020]在一种可能的实施方式中，将涂覆绝缘层的正极片与电解质层覆合，包括：

[0021]将涂覆绝缘层的正极片与自支撑电解质层辊压覆合。

[0022]在一种可能的实施方式中，将涂覆绝缘层的正极片与电解质层覆合，包括：

[0023]将电解质材料涂覆于集流体膜，形成电解质层;

[0024]将涂覆绝缘层的正极片与电解质层辊压覆合，并将集流体膜收卷。

[0025]第三方面，本申请实施例提供一种用电设备，包括第一方面任一实施例中的全固态电池或采用第二方面任一实施例中的制备方法制备得到的全固态电池。

[0026]本申请实施例提供的全固态电池及其制备方法、用电设备中，全固态电池包括正极片、负极片和位于正极片和负极片之间的电解质层;正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，正极活性物质层的一侧间隔涂覆有绝缘层，负极片的周向边缘与绝缘层搭接。通过在全固态电池的正极片中设置独立层状结构的间歇涂覆绝缘层，并将负极片的周向边缘精准搭接至该绝缘层上表面，实现了三重绝缘强化效果：首先，绝缘层作为独立的功能层与正极活性物质层平行排布，通过物理隔离彻底阻断了正负极集流体之间的横向导通路径;其次，绝缘层与负极片周向边缘的立体搭接结构形成了纵向绝缘屏障，有效防止了电解质层开裂导致的层间短路;最后，绝缘层的离散式涂布设计在维持离子传输通道的同时，构建了多维度的绝缘网络。这种层状独立绝缘结构相较于传统包覆式绝缘方案，能够进一步降低界面接触电阻，全固态电池在循环过程中的枝晶穿刺风险进一步下降，同时还保持了较高的界面离子电导率。

附图说明

[0027]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

[0028]图1为本申请提供的一种全固态电池的结构示意图;

[0029]图2为本申请提供的一种绝缘框与正极片的结构关系示意图;

[0030]图3为本申请提供的一种全固态电池制备装置的结构示意图;

[0031]图4为本申请提供的一种正极片的结构示意图;

[0032]图5为本申请提供的一种凹版涂布辊的俯视图;

[0033]图6为本申请提供的一种凹版涂布辊的周向展开示意图;

[0034]图7为本申请提供的一种涂覆绝缘层的正极片上覆合电解质层的示意图。

[0035]附图标记：

[0036]11、正极集流体层;

[0037]12、正极活性物质层;

[0038]13、绝缘层;131、绝缘框;

[0039]14、电解质层;

[0040]15、负极活性物质层;

[0041]16、负极集流体层;

[0042]21、加料组件;

[0043]22、第一压延辊;

[0044]23、第二压延辊;

[0045]24、第三压延辊;

[0046]25、第四压延辊;

[0047]26、膜片转移辊;

[0048]27、集流体放卷辊;

[0049]28、过辊;

[0050]29、凹版涂布辊;291、凹坑;

[0051]30、电解质膜放卷辊;

[0052]31、电解质膜第一转移辊;

[0053]32、电解质膜第二转移辊;

[0054]33、极片收卷辊。

[0055]通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

[0056]这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0057]新能源电池是电动汽车等交通工具的核心组件，新能源电动汽车市场的快速发展，带动了动力电池需求的快速增长。此外，动力电池还适用于电动自行车、电动滑板车、载人无人机、船舶等。同时，人们对新能源电动汽车的续航里程和安全性提出了更高要求，这就要求动力电池同时兼顾高能量密度和高安全性，而全固态电池则由于其优异的动力学性能和热力学稳定性，可以同时满足高能量密度和高安全性的要求，成为国内外研究重点。

[0058]与如今普遍使用的液态锂离子电池不同的是，全固态电池使用的是固体电极和固体电解质，可以大大提高能量密度，同时，固体电解质具有耐高温性能，因而具有高安全性。目前，全固态电池在工作过程中需施加较大的压力，在压力作用下全固态电池中，电芯的边缘易发生形变，严重时会出现裂纹，在裂纹处正负极易发生接触，从而导致全固态电池发生短路。为了解决这一问题，相关技术中，在全固态电池中层叠电极体的侧面的至少一部分上涂覆绝缘材料，从而达到绝缘效果，降低全固态电池在使用过程中的短路风险。

[0059]但是，采用上述方法制备全固态电池，是在叠完电芯以后，在单个电芯侧面涂覆绝缘材料，导致全固态电池的制备过程增加了至少一个生产工序，降低了生产效率，不适合大规模量产，同时需配套较多的固化设备，增加了全固态电池的制造成本。此外，上述方法制备得到的全固态电池，界面结合力不足、易在绝缘层边缘产生应力集中，导致全固态电池的绝缘性能较差，因此，全固态电池在使用过程中的短路风险仍然较高。

[0060]基于上述问题，本申请提供一种全固态电池及其制备方法、用电设备，通过在全固态电池的正极片中设置间歇涂覆的绝缘层，并将负极片的周向边缘搭接至绝缘层，从而提高全固态电池使用过程中的绝缘性能，解决了全固态电池使用过程中短路风险较高的技术问题。

[0061]下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

[0062]图1为本实施例提供的全固态电池的结构示意图，如图1所示，本实施例的全固态电池包括：正极片、负极片和位于正极片和负极片之间的电解质层14。

[0063]其中，正极片包括正极集流体层11和正极活性物质层12，正极活性物质层12的一侧间隔涂覆有绝缘层13，负极片的周向边缘与绝缘层13搭接。

[0064]具体地，负极片包括负极集流体层16和负极活性物质层15，负极活性物质层15的周向边缘与绝缘层13搭接。

[0065]本实施例提供的全固态电池，通过在正极活性物质层12和负极活性物质层15之间设置独立的层状绝缘层13，并采用间隔涂覆工艺使其与电极界面形成稳定结合，显著提升了全固态电池的结构可靠性。该绝缘层13作为独立的隔离功能层，与正极活性物质层12和电解质层14形成平行堆叠结构，不仅增强了层间界面粘附力，还通过应力分散效应有效缓解了全固态电池在充放电过程中的体积形变，提升了全固态电池在高压条件下的抗裂性能，降低了全固态电池在使用过程中的短路风险，延长了全固态电池的循环寿命。

[0066]可选地，绝缘层13为绝缘框131。

[0067]绝缘框131与正极片的结构关系示意图如图2所示。正极片中的正极集流体层11与正极活性物质层12覆合，绝缘框131涂覆在正极活性物质层12上。

[0068]图2为未进行模切的涂覆绝缘框131的正极片，按照绝缘框131的尺寸进行模切后，将负极片与绝缘框131搭接叠片，形成全固态电池的电芯。绝缘框131在电芯外围形成支撑结构，使全固态电池在使用过程中，外部压力更均匀地分布在整个电极界面，而非集中于边缘，从而分散应力，减少边缘应力集中，降低电芯开裂风险。

[0069]可选地，绝缘层13的厚度为1-10μm。

[0070]如此设置绝缘层13的厚度，能够改善全固态电池的绝缘性能，保持足够的离子电导率以维持全固态电池倍率性能，其力学特性还可以分散外部压力，缓冲电极体积变化应力，抑制电芯裂纹扩展，且适用于干法涂布、气相沉积等量产工艺，平衡了绝缘可靠性、界面接触阻抗和规模化生产可行性。

[0071]可选地，正极片还包括粘结层，粘结层位于正极集流体层11和正极活性物质层12之间。

[0072]通过设置粘结层，提高正极集流体层11和正极活性物质层12的附着力，提升界面结合强度。

[0073]本申请还提供一种全固态电池的制备方法，包括如下步骤：

[0074]步骤1、将正极集流体层11、正极活性物质层12辊压覆合，得到正极片。

[0075]步骤2、在正极片中正极活性物质层12一侧间隔涂覆绝缘层13，得到涂覆绝缘层13的正极片。

[0076]步骤3、将涂覆绝缘层13的正极片与电解质层14覆合后进行模切，并与负极片叠片，得到全固态电池。

[0077]图3为本申请提供的一种全固态电池制备装置的结构示意图。如图3所示，全固态电池制备装置包括加料组件21、第一压延辊22、第二压延辊23、第三压延辊24、第四压延辊25、膜片转移辊26、集流体放卷辊27、过辊28、凹版涂布辊29、电解质膜放卷辊30、电解质膜第一转移辊31、电解质膜第二转移辊32、极片收卷辊33。

[0078]具体地，全固态电池制备装置工作时，将正极活性物质、导电剂、粘结剂、电解质等其他辅助材料在混料设备中混合均匀，然后通过加料组件21加入到第一压延辊22和第二压延辊23之间。

[0079]第二压延辊23的压延速度大于第一压延辊22的压延速度，即第二压延辊23相对于第一压延辊22为快辊，速比区间设置为1.001-20。其中，速比为第二压延辊23转动速度与第一压延辊22转动速度的比值。为了将粉料减薄，需调节第一压延辊22和第二压延辊23之间的缝隙和压力，在压力和差速作用下，经过一级减薄的正极活性物质膜片转移到第二压延辊23表面。

[0080]类似地，正极活性物质膜片到达第二压延辊23和第三压延辊24之间后，第三压延辊24为快辊，速比区间设置为1.001-20。在压力和差速作用下，正极活性物质膜片经过二级减薄并转移到第三压延辊24表面。正极活性物质膜片到达第三压延辊24和第四压延辊25之间后，第四压延辊25为快辊，速比区间设置为1.001-20。在压力和差速作用下，正极活性物质膜片经过三级减薄并转移到第四压延辊25表面。通过调节各级压延辊速度、辊缝、压力等参数得到预设面密度和厚度的正极活性物质层12。图3装置制备得到的正极活性物质层12为仅经过三级减薄的正极活性物质层12，若需要制备更薄的正极活性物质层12或者需要提高制备速度，可以增加压延辊数量，压延原理相同，在此不再赘述。

[0081]若需要提高压延速度和压延效果，可以加热各压延辊，例如，加热至40-200℃。

[0082]制备得到所需正极活性物质层12后，控制集流体放卷辊27释放正极集流体层11穿过第四压延辊25和膜片转移辊26之间，在压力作用下，正极活性物质层12转移到正极集流体表面。

[0083]可选地，可以对正极集流体进行表面处理，例如涂炭处理，从而提高正极活性物质层12和正极集流体层11之间的附着力。涂炭处理时，涂胶粘结剂可以选用低温热熔胶，可在60-150℃熔融，此时，第四压延辊25和膜片转移辊26的表面温度可以设置为60-200℃，优选为80-150℃。

[0084]正极集流体层11和正极活性物质层12覆合后得到的正极片如图4所示。正极片经过过辊28进入凹版涂布辊29，通过凹版涂布辊29将绝缘材料间隔涂布到正极活性物质层12表面，涂布厚度控制在1-20μm之间，包括但不限于1μm、2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm。涂布厚度优选为1-5μm。

[0085]涂布厚度、间隔距离、绝缘层13形态可以分别通过凹版涂布辊29表面的凹坑291深度、凹坑291目数和凹坑291线型决定。例如，为了实现间隔涂布，凹版涂布辊29表面的凹坑291可以进行间歇雕刻，凹版涂布辊29的俯视图如图5所示，凹版涂布辊29的周向展开示意图如图6所示，绝缘材料的涂布效果如图2所示。

[0086]凹版涂布辊29的凹坑291间隙、宽度、形状、目数等参数，根据绝缘层13的间隔距离、尺寸、形状、厚度而定，绝缘材料可以选用氧化物、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶、环氧树脂、热固化树脂、紫外线固化单体、紫外线固化树脂、纤维等绝缘材料中的至少一种。

[0087]可选地，绝缘材料包含固化材料时，在正极片中正极活性物质层12一侧间隔涂覆绝缘层13，并进行固化处理，得到涂覆绝缘层13的正极片。

[0088]例如，绝缘材料包含热固化材料时，凹版涂布后增加热固化组件对绝缘层13进行热固化;绝缘材料包含光固化材料时，凹版涂布后增加光固化组件对绝缘层13进行光固化。

[0089]继续参照图3，涂覆绝缘框131后的正极片进入电解质膜第一转移辊31和电解质膜第二转移辊32之间，电解质膜放卷辊30释放电解质膜。在压力作用下，电解质膜压延为电解质层14，并覆合到正极片表面，通过极片收卷辊33将覆合电解质层14的正极片收卷。

[0090]可选地，将涂覆绝缘层13的正极片与电解质层14覆合，可以是将涂覆绝缘层13的正极片与自支撑电解质层14辊压覆合，也可以是将电解质材料涂覆于集流体膜，形成电解质层14，再将涂覆绝缘层13的正极片与电解质层14辊压覆合，并将集流体膜收卷。

[0091]具体地，将电解质材料涂覆于集流体膜表面，形成电解质层14，再由集流体膜牵引进入电解质膜第一转移辊31和电解质膜第二转移辊32之间，使电解质层14于正极片覆合。其中，集流体膜可以选用铝箔、铜箔、不锈钢箔、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)膜中的一种。

[0092]涂覆绝缘层13的正极片上覆合电解质层14的示意图如图7所示。可以理解，涂覆绝缘层13的正极片上覆合电解质层14，是在图2所示结构的基础上覆合电解质层14，得到图7所示结构。

[0093]覆合电解质层14后进行收卷、模切，再与负极片叠片，得到全固态电池。其中，负极片中负极活性物质层15的长度和宽度方向相比正极活性物质层12较小，从而保证正负极叠片过程中，负极片的周向边缘搭接在绝缘框131上。

[0094]上述方法中，采用凹版辊将绝缘层13辊压至正极片中正极活性物质层12一侧，得到涂覆绝缘层13的正极片。除此以外，还可以在正极片中正极活性物质层12一侧间隔喷涂绝缘层13材料，得到涂覆绝缘层13的正极片。或者，采用3D打印，将绝缘材料间隔涂覆于正极片中正极活性物质层12一侧，得到涂覆绝缘层13的正极片。

[0095]可以理解，喷涂或3D打印，可以设定工作路径和次数，实现绝缘层13不同涂覆尺寸、厚度、形状变化。

[0096]综上，本申请实施例采用干法电极技术制备正极片，减少了制备过程中有机溶剂的使用，降低了制造成本。通过在正极片连续化生产过程中，在正极片表面涂覆绝缘层13，随后将绝缘层13与正极片同步辊压、模切、叠片，而不是在电芯封装完成后再涂覆绝缘材料，减少了生产工序，提高了生产效率。

[0097]本申请还提供一种用电设备，包括前述实施例中的全固态电池或采用前述方法实施例中的制备方法制备得到的全固态电池。

[0098]具体地，上述用电设备可以为但不限于电动汽车、电瓶车、手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、轮船、航天器等。其中，电动玩具可以包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等。

[0099]最后应说明的是：本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段，并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。

说明书附图(7)