CN104993095A - 一种层叠式全固态锂离子电池 - Google Patents

一种层叠式全固态锂离子电池 Download PDF

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Abstract

一种层叠式全固态锂离子电池，由固型层、初始端与终止端PET塑料支撑板、正极活性物质、负极活性物质、负极铜集流体、正极铝集流体、固态电解质、正极极耳和负极极耳层叠而成，正极活性物质之上为正极铝集流体，正极铝集流体和负极铜集流体背靠背式串联，负极铜集流体之上为负极活性物质，相邻正极活性物质和负极活性物质之间填充有固态电解质，终止端正极铝集流体上焊接有正极极耳，正极极耳焊接在终止端PET塑料支撑板的金属铝镀层上，初始端负极集流体上焊接有负极极耳，负极极耳焊接在初始端PET塑料支撑板的金属铜镀层上。本发明采用背靠背式集流体无缝串联全固态锂离子单体电池，单体电池连接无界面阻抗，电子通路阻值可以忽略。

Description

一种层叠式全固态锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种层叠式全固态锂离子电池结构。
背景技术
近年来，全固态锂离子电池作为一种安全高效、高容量、力学性能优异的可充电电池，获得研究人员的广泛关注。其在充放电过程中不会发生常规锂离子电池电解质漏液问题，同时聚合物电解质或无机固态电解质能够有效抑制电解液与正负极之间副反应的发生，避免了SEI膜等的形成，具有优异的长循环性能；而且，全固态锂离子电池的体积能量密度也远高于液态电解质锂离子电池。目前，全固态锂离子电池已经在少部分的手机、摄像机、笔记本电脑等各类电子产品上得到了研究与应用。因此，作为一种安全可靠的新型电源设备，全固态锂离子电池在日常生活中发挥着越来越重要的作用。
真空蒸镀技术目前主要运用于食品包装壳、灯具反光罩、各类塑料及金属材料表面防护装饰性镀层等领域。将真空蒸镀技术用于锂离子电池集流体和正负极片的制作是将该技术应用范围的进一步拓展，也是全固态锂离子电池制备的技术创新。真空蒸镀包括电阻加热、感应蒸发、电子束枪以及真空电弧，其中超高真空下利用蒸发舟进行电阻加热蒸镀具有成膜速度快，镀层质量高等优点，是最常用的真空蒸镀方式。
磁控溅射是物理气相沉积的方式之一，在靶材表面引入磁场，带电粒子在磁场的作用下轰击靶材表面，激发出靶材表面原子，被激发原子在基体表面沉积成膜；将磁控溅射技术应用于全固态锂离子电池的制备，将正负极活性物质或高纯度集流体金属颗粒制备成为靶材，利用磁控溅射技术在集流体表面获得致密均匀的活性物质，相同方法可以在该集流体表面沉积另一种集流体镀层。镀层与集流体之间属于原子级别的接触，其中活性物质与集流体之间的结合力远大于常规涂覆方法制备的极片中活性物质与集流体的结合力，能有效防止快速充放电过程中活性物质从集流体表面脱离，缩短电子的传输距离，有益于大倍率充放电。
等离子体清洗是一种全新的表面清洁技术，清洗的效果要远远高于常规清洁剂。对气体施加足够的能量使之离化成为等离子状态，等离子体状态下存在包括离子、电子、光子等多种活性组分；通过多种活性组分连续轰击样品表面，达到清洁样品表面的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的层叠式全固态锂离子电池，采用背靠背式集流体无缝串联全固态锂离子单体电池，单体电池连接无界面阻抗，电子通路阻值可以忽略，可以通过改变正负极材料和单体层叠数量提供任意需要的电压值及容量值。
本发明的目的地通过以下技术方案实现的：
一种层叠式全固态锂离子电池，包括固型层和层叠电池，所述固型层位于层叠电池外部，起到固定电池形状和结构的作用，所述层叠电池包括初始端PET塑料支撑板、终止端PET塑料支撑板、若干个相同结构尺寸的单体电池、固态电解质、正极极耳和负极极耳层，其中：单体电池由正极活性物质、负极活性物质、负极铜集流体和正极铝集流体构成，正极活性物质之上为正极铝集流体，正极铝集流体和负极铜集流体背靠背式串联，负极铜集流体之上为负极活性物质，相邻正极活性物质和负极活性物质之间填充有固态电解质，终止端正极铝集流体上焊接有正极极耳，正极极耳焊接在终止端PET塑料支撑板的金属铝镀层上，初始端负极集流体上焊接有负极极耳，负极极耳焊接在初始端PET塑料支撑板的金属铜镀层上。
本发明中，所述固型层的外面设置有铝塑膜外包装，作为层叠式全固态锂离子电池的外包装层，进行热塑封装。
本发明中，所述背靠背式集流体由真空蒸镀或磁控溅射技术获得，厚度可以控制在100nm~100μm，具体厚度由蒸镀或溅射的功率及时间决定。
本发明中，所述正负极活性物质由磁控溅射或真空蒸镀技术获得，其中：正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂、镍锰酸锂等；负极活性物质包括碳基材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂等。
本发明中，所述固态电解质为聚合物电解质或无机固体电解质。
本发明中，所述正负极活性物质与固体电解质粘接复合，固态电解质既充当电解质传导离子，同时起到隔膜作用隔离正负活性物质。
本发明中，所述层叠电池四周填充固态电解质，填充固态电解质与正负活性物质之间的固态电解质为统一整体，防止正负极片边缘接触形成微短路，其厚度在100μm~1mm。
本发明中，所述初始端与终止端PET塑料支撑板上的铜镀层和铝镀层由真空蒸镀或磁控溅射高纯铝与高纯铜获得。
本发明中，所述单体电池之间的串联结构由背靠背式正极铝集流体和负极铜集流体完成。
本发明中，所述初始端与终止端PET塑料支撑板在进行真空蒸镀或磁控溅射之前进行等离子清洗，获得清洁表面。
本发明中，所述正负极极耳通过微电脑精密双针点焊机焊接在初始端与终止端PET塑料支撑板的金属镀层上，其中，正极极耳为铝极耳，负极极耳为铜或镍极耳。
本发明中，所述固型层使用的材料为热固性材料，如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、非饱和聚酯、醇酸树脂，固型层的存在可以有效阻止充放电过程中单体电池的变形，保持紧密的层叠式结构。
本发明中，所述层叠电池结构使用铝塑膜进行封装，正负极极耳从同一侧引出进行电池的充放电。
本发明中，所述电池形状可以是圆柱形、矩形等任意几何形状。电池的结构为层叠式。
本发明中，使用等离子清洗机对PET塑料支撑板和铝箔或铜箔进行表面清洁，使用真空蒸镀或磁控溅射技术在PET塑料板表面获得高纯金属铝或金属铜镀层；在铜箔（铝箔）表面获得致密导电性良好的高纯铝（铜）镀层，制备背靠背式的双层集流体结构。
本发明具有如下优点：
1、本发明的正负极活性物质通过磁控溅射或真空蒸镀技术获得，活性物质与集流体接触良好，相比常规的涂覆方法拥有更好的界面相容性，电子传导速率快，可进行大倍率充放电。
2、本发明的正负极极耳焊接通过微电脑精密双针点焊机进行，具有焊点结合力强、导电性优异等优点。
3、本发明的层叠结构中，使用聚合物电解质或无机固态电解质与正负极片进行粘结，正负活性物质之间不设隔膜，单体电池厚度可以控制在200μm以内。
4、固型层的存在可以有效阻止充放电过程中单体电池的变形，保持紧密的层叠式结构。
5、填充固态电解质与极片之间的固态电解质为统一整体，防止正负极活性物质边缘接触形成微短路，保证电池安全，维持电池性能稳定。
6、本发明所提供的层叠电池结构，内部使用正负极集流体背靠背的结构，单体电池之间首尾相接、无缝串联，得到电子通路，可以提供极高的电压和容量；电池安全性高，无漏液爆炸等潜在危险，可以满足各类电动产品的需要。
附图说明
图1为实施例1内部结构示意图；
图2为实施例2的真空蒸镀铝镀层图片；
图3为实施例2中PET塑料支撑板铝镀层截面SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，一种层叠式全固态锂离子电池有固型层1和层叠电池构成，所述固型层1位于层叠电池外部，起到固定电池形状和结构的作用，所述层叠电池由初始端PET塑料支撑板2、终止端PET塑料支撑板3、若干个相同结构尺寸的单体电池、固态电解质4、正极极耳5和负极极耳6层叠而成，其中：单体电池由正极活性物质7、负极活性物质8、负极铜集流体9和正极铝集流体10构成，正极活性物质7之上为正极铝集流体10，正极铝集流体10和负极铜集流体9背靠背式串联，负极铜集流体9之上为负极活性物质8，相邻正极活性物质7和负极活性物质8之间填充有固态电解质4，终止端正极铝集流体上焊接有正极极耳5，正极极耳5焊接在终止端PET塑料支撑板3的金属铝镀层上，初始端负极集流体上焊接有负极极耳6，负极极耳6焊接在初始端PET塑料支撑板2的金属铜镀层上。层叠过程中必须严格保证上下一致性，包括单体电池内部的叠放顺序，单体电池间尺寸等。
实施例2：
如图2所示，对进行过等离子清洗的PET塑料支撑板进行真空蒸镀获得表面光滑、导电性优异的金属铝镀层，由图可知，镀层与PET基板结合力良好，任意弯曲不发生脱离现象，另外镀层导电性良好，可以作为电池集流体使用；图3为PET塑料支撑板表面铝镀层截面的SEM图，由图可知镀层厚度达到780nm。
本实施例中使用YDZ08-2C型等离子清洗机进行PET塑料支撑板板的表面清洁，等离子射频强度为28%，时间为45s；清洗后使用去离子水进行表面润湿性检查，清洗后的PET表面能够被去离子水完全润湿；真空蒸镀使用的蒸镀源为纯度为99.999%的高纯铝颗粒与纯度为99.9999%的高纯铜颗粒；使用JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机进行真空蒸镀，铝镀层真空蒸镀条件：真空度1×10-4pa，电流值为200A，蒸镀时间为1分钟。
实施例3：
    本实施例中，将正负极活性物质分别填充在模具中，使用粉末压片机，30MPa压力下制备靶材，靶材厚度可以控制在2-3mm。
实施例4：
    本实施例中，将正极活性物质钴酸锂粉末作为蒸发源置于蒸发舟中，以集流体作为沉积基底进行真空蒸镀，真空蒸镀条件：真空度1×10-4 Pa，电流值为250A，蒸镀时间为5分钟。
实施例5：
    本实施例中，使用微电脑精密双针点焊机进行正负极极耳焊接，正极铝极耳的焊接条件：脉冲数为4，电流值2.5A；负极镍极耳焊接条件：脉冲数为2，电流值3A。

Claims (10)

1.一种层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述全固态锂离子电池由固型层和层叠电池构成，固型层位于层叠电池外部，所述层叠电池由初始端PET塑料支撑板、终止端PET塑料支撑板、若干个相同结构尺寸的单体电池、固态电解质、正极极耳和负极极耳层叠而成，其中：单体电池由正极活性物质、负极活性物质、负极铜集流体和正极铝集流体构成，正极活性物质之上为正极铝集流体，正极铝集流体和负极铜集流体背靠背式串联，负极铜集流体之上为负极活性物质，相邻正极活性物质和负极活性物质之间填充有固态电解质，终止端正极铝集流体上焊接有正极极耳，正极极耳焊接在终止端PET塑料支撑板的金属铝镀层上，初始端负极集流体上焊接有负极极耳，负极极耳焊接在初始端PET塑料支撑板的金属铜镀层上。
2.根据权利要求1所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述负极铜集流体和正极铝集流体由真空蒸镀或磁控溅射技术获得，厚度可以控制在100nm~100μm。
3.根据权利要求1所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述正负极活性物质由磁控溅射或真空蒸镀技术获得。
4.根据权利要求3所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂或镍锰酸锂；负极活性物质为碳基材料、硅基材料、锡基材料或钛酸锂。
5.根据权利要求1所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述固态电解质为聚合物电解质或无机固体电解质。
6.根据权利要求1或5所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述叠层电池四周填充固态电解质，填充固态电解质与正负极活性物质之间的固态电解质为统一整体，其厚度在100μm~1mm。
7.根据权利要求1所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述初始端与终止端PET塑料支撑板在进行真空蒸镀或磁控溅射之前进行等离子清洗，获得清洁表面。
8.根据权利要求1所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述正负极极耳通过微电脑精密双针点焊机焊接在初始端与终止端PET塑料支撑板的金属镀层上，正负极耳从同一侧引出进行电池的充放电。
9.根据权利要求1所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述所述固型层使用的材料为热固性材料，所述热固性材料为酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、非饱和聚酯或醇酸树脂。
10.根据权利要求1或8所述的层叠式全固态锂离子电池，其特征在于所述正极极耳为铝极耳，负极极耳为铜或镍极耳。
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