CN106531949B - 一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，包括，在具有正极极耳的基底上利用磁控溅射先后镀上粘附层、正极集流体、正极膜、电解质膜、负极膜、负极集流体；通过绝缘薄膜材料和导电粘结胶或微型连接将负极极耳固定在负极集流体上。有益效果是：解决电池在不同基底的极耳引出，该结构能使电池空间利用率最大化；粘附层、正极集流体、电解质镀膜时无需利用模具，负极和负极集流体只需同一模具，方法简单，易实现产业化；直接利用绝缘膜阻挡正极与负极，防止正负极活性及其集流体薄膜边缘接触形成短路，可以不限制全固态薄膜电池的电极材料厚度，既保证了电池的安全性，又可以大大提高单体薄膜锂离子电池容量。

Description

一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法
技术领域
本发明涉及全固态薄膜锂离子电池的技术领域，特别涉及具有直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法。
背景技术
近年来，锂离子电池以其高容量、高工作电压及无记忆效应等优点成为了新型绿色能源与便携电子设备电池的首选，并在动力能源领域得到了巨大的发展。然而，当前商用的锂离子电池由于使用的有机电解液易燃易爆易挥发，存在着一定的安全隐患。采用固态电解质替代有机液态电解液并制备全固态薄膜锂离子电池是解决当前锂离子电池安全问题的根本途径。此外，全固态薄膜锂离子电池相较于当前锂离子电池拥有更高的能量密度、更长的使用寿命，还突破了传统电池形状上的单一性、厚重性，具有超薄、可弯曲、可以在小芯片内集成等特点，可广泛地应用于微型电子器件(如：智能卡、电子标签、微机电系统、集成电路)，在可穿戴电子设备、军事、医学、航天领域的用途尤为突出。
目前应用最广的结构设计是美国橡树岭实验室BATES等研制出的经典的全固态薄膜电池叠层结构(Solid State Technology 1993,36(7):59-64)。已有美国CymbetCorpration、Infinite Power Solutions、Fronts Edge Technology、SAKTI3，日本ULVAC，韩国三星等使用这种经典的结构(Journal of Aeronautical Materials,2014,36(6):1-20)。这种结构极耳引出方式较为简单直接，但是基片的空间利用率低，在一定程度上限制了容量的大小。而直立型结构的全固态薄膜电池最大化的利用了基片面积，并且结构简单，减少了模具的使用，但是这种结构，负极极耳引出极为困难，尤其在电极材料空间利用率很高的情况下，极易出现断路和短路现象。因而开发这种极耳引出方法，是提高单体全固态薄膜锂离子电池能量密度的一种有效方式。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，提供了一种简便易行、低成本、适合工业化生产的极耳引出新方法。
本发明所采用的技术方案是：一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，包括步骤：
(1)在具有正极极耳的基底上利用磁控溅射先后镀上粘附层、正极集流体、正极膜、电解质膜、负极膜、负极集流体；
(2)在所述负极集流体上覆盖中心带有预留孔的绝缘薄膜材料，其中，所述绝缘薄膜材料的面积大于所述负极集流体的面积；
(3)将导电粘结胶填充入所述预留孔中，并通过所述导电粘结胶将负极极耳与所述负极集流体连接；
或者，利用微型连接将负极极耳通过所述预留孔固定在所述负极集流体上，其中，所述微型连接包括共晶键合连接或微型焊接连接。
所述基底为预留出正极极耳的导电基底，所述基底为不锈钢箔、Al片或铜片，基底为任意厚度。
所述基底为聚酰亚胺或云母片不导电基底，基底为任意厚度。
所述粘附层为Ti或V金属薄膜；所述集流体为Au、Pt、Cu或Al金属，金属由磁控溅射获得，厚度控制在50～1000nm。
所述正极膜为LiMn2O4、LiCoO2、LiNixMn1-xO2、LiNixCo1-xO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2或LiNiO2，为二维或三维正极，其中，x的取值范围是0至1，y的取值范围是0至1，厚度范围为任意厚度。
所述电解质膜包括，晶体形无机固体电解质、玻璃态及无定形无机固体电解质和复合锂离子无机固体电解质，厚度0.1～10μm。
所述负极膜为TiO2、Si、Sn或Li，厚度0.1～1000μm。
所述负极极耳通过绝缘薄膜材料与负极集流体以外的薄膜隔绝。
所述绝缘薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜或高温聚酯薄膜，厚度为1～1000μm。
所述负极极耳材料为镍、铜、铝或不锈钢，负极极耳为“L”形，厚度为10～1000μm；所述负极极耳引出方向为任意方向。
所述导电粘结胶包括Ag和铜导电胶。
所述微型连接包括共晶键合连接或微型焊接连接。
本发明的有益效果是：解决了电池在不同基底的极耳引出，该结构能使电池空间利用率最大化；粘附层、正极集流体、电解质镀膜时无需利用模具，而负极和负极集流体只需同一模具，方法简单，节省工序，成本低廉，易实现产业化；直接利用绝缘膜阻挡正极与负极，具有防止正负极活性及其集流体薄膜边缘接触形成短路，可以不限制全固态薄膜电池的电极材料厚度，既保证了电池的安全性，又可以大大提高单体薄膜锂离子电池容量；直接利用导电粘结胶或微焊技术，具有结合力强、导电性优异，具有高重复弯曲的性能；本方法利用的基底和负极极耳均可机械加工获得，极大地提高了产品生产效率。对于提高单体全固态薄膜锂离子电池能量密度问题提供了一种新思路。
附图说明
图1为本发明全固态薄膜电池截面图；
图2a至图2i为本发明电池极耳引出流程图；
图3为本发明全固态薄膜电池性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，包括步骤：(1)在具有正极极耳的基底上利用磁控溅射先后镀上粘附层、正极集流体、正极膜、电解质膜、负极膜、负极集流体；(2)在负极集流体上覆盖中心带有预留孔的绝缘薄膜材料，其中，绝缘薄膜材料的面积大于负极集流体的面积；(3)将导电粘结胶填充入预留孔中，并通过导电粘结胶将负极极耳与负极集流体连接；或者，利用微型连接将负极极耳通过预留孔固定在负极集流体上，其中，微型连接包括共晶键合连接或微型焊接连接。
基底为预留出正极极耳的导电基底，所述基底为不锈钢箔、Al片或铜片等导电基底，基底为任意厚度。基底也可以为不导电基底，如，聚酰亚胺或云母片等导电基底，基底为任意厚度；基底优选不锈钢基底。所述粘附层为Ti或V等金属薄膜；所述正极集流体负极集流体为Au、Pt、Cu或Al等金属，粘附层优选Ti，正极集流体、负极集流体优选Pt，金属由磁控溅射技术获得，厚度控制在50～1000nm。所述正极薄膜为LiMn2O4、LiCoO2、LiNixMn1-xO2、LiNixCo1-xO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiNiO2，可以是二维或三维正极，其中，x的取值范围是0至1，y的取值范围是0至1，厚度范围为任意厚度；正极薄膜优选三维LiMn2O4；固态电解质膜优选LiPON；负极薄膜优选TiO2。所述电解质膜包括，晶体形无机固体电解质、玻璃态及无定形无机固体电解质和复合锂离子无机固体电解质，厚度0.1～10μm。所述负极膜为TiO2、Si、Sn或Li，厚度0.1～1000μm。所述负极极耳通过绝缘薄膜材料与负极集流体以外的薄膜隔绝。所述绝缘薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜或高温聚酯薄膜，厚度为1～1000μm；负极极耳绝缘材料膜优选PE。所述负极极耳材料为镍、铜、铝或不锈钢，负极极耳优选材料为不锈钢箔，负极极耳通过机械加工成“L”形，厚度为10～1000μm；所述负极极耳是在绝缘材料膜的上直接利用物理结合技术，连接极耳和负极集流体，极耳可以从任意一侧引出。所述导电粘结胶包括Ag、铜导电胶等；连接材料优选导电粘结胶，如Ag浆、Cu导电胶。所述微型连接技术包括共晶键合技术或微型焊接技术等，如，电脑精密双针电焊机。
值得指出的是，绝缘材料膜在用之前必须利用乙醇超声，获得清洁表面，防止灰尘带来的微短路。
实施例1：
图1是本发明全固态薄膜电池截面图，如图1所示，本发明直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出的方法，包括不锈钢箔基底1、Ti粘附层2、Pt正极集流体3、LiMn2O4正极4、LiPON电解质5、TiO2负极6、Pt负极集流体10、负极极耳8、PE绝缘薄膜材料7、银浆9。
图2a至图2i是本发明电池极耳引出流程图，如图所示，
图2a是具有正极极耳的不锈钢箔基底；
图2b是在不锈钢箔基底上利用磁控溅射直流电源镀上Ti粘附层；
图2c在粘附层上镀上Pt正极集流体；
图2d在正极集流体镀上LiMn2O4正极；
图2e再利用RF电源镀上LiPON电解质；
图2f利用模具在电解质上镀上TiO2负极；
图2g Pt负极集流体；
图2h、2i把不锈钢箔负极极耳利用PE绝缘薄膜材料和银浆固定在负极集流体上。
最后，负极极耳部分一定要通过绝缘薄膜与正极及其正极集流体隔绝。引出极耳后需要在真空干燥箱中60℃干燥12h。其中正极材料LiMn2O4镀好膜之后需要在空气中700℃退火2h，厚度大约1.6μm，图3是该方法做出的全固态薄膜电池的性能，性能达到44μAhcm-2，与用探针直接测试的性能结果一样。
实施例2：
实施例2与实施例1中图2a至图2g的流程完全相同，在此不再赘述。其区别在于图2h、2i，把不锈钢箔负极极耳利用PE绝缘薄膜材料和铜导电胶固定在负极集流体上。
最后，负极极耳部分一定要通过绝缘薄膜与正极及其正极集流体隔绝。其中正极材料LiMn2O4镀好膜之后需要在空气中700℃退火30min，厚度大约1μm，该方法做出的全固态薄膜电池的性能，性能达到45μAh cm-2，与其它方式测试结果基本一致。
实施例3：
实施例3与实施例1中图2a至图2g的流程完全相同，在此不再赘述。其区别在于图2h、2i，把不锈钢箔负极极耳利用PE绝缘薄膜材料和微焊接技术固定在负极集流体上。
最后，负极极耳部分一定要通过绝缘薄膜与正极及其正极集流体隔绝。其中正极材料LiMn2O4镀好膜之后需要在空气中700℃退火30min，厚度大约1μm，该方法做出的全固态薄膜电池的性能，性能达到45μAh cm-2，与其它方式测试结果基本一致。
实施例4：
实施例4与实施例1中图2a至图2f的流程完全相同，在此不再赘述。其区别在于图2g、2h、2i，Cu负极集流体，把不锈钢箔负极极耳利用PE绝缘薄膜材料和Cu的键合技术固定在负极集流体上。
最后，负极极耳部分一定要通过绝缘薄膜与正极及其正极集流体隔绝。其中正极材料LiMn2O4镀好膜之后需要在空气中700℃退火30min，厚度大约1μm，该方法做出的全固态薄膜电池的性能，性能达到44μAh cm-2，与其它方式测试结果基本一致。
以上实施例仅为本发明的优选实施案例而已，本发明的保护范围并不用于限制本发明，对于本领域的科技人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则下，所做的任何修改等同替换、改进，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，包括步骤：
(1)在具有正极极耳的基底上利用磁控溅射先后镀上粘附层、正极集流体、正极膜、电解质膜、负极膜、负极集流体，其中，所述正极膜的厚度范围为任意厚度，所述负极膜的面积不大于所述电解质膜的面积；
(2)在所述负极集流体上覆盖中心带有预留孔的绝缘薄膜材料，其中，所述绝缘薄膜材料的面积大于所述负极集流体的面积；
(3)将导电粘结胶填充入所述预留孔中，并通过所述导电粘结胶将负极极耳与所述负极集流体连接；
或者，利用微型连接将负极极耳通过所述预留孔固定在所述负极集流体上，其中，所述微型连接包括共晶键合连接或微型焊接连接。
2.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述基底为预留出正极极耳的导电基底，所述基底为不锈钢箔、Al片或铜片，基底为任意厚度。
3.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述基底为聚酰亚胺或云母片不导电基底，基底为任意厚度。
4.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述粘附层为Ti或V金属薄膜；所述集流体为Au、Pt、Cu或Al金属，金属由磁控溅射获得，厚度控制在50～1000nm。
5.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述正极膜为LiMn2O4、LiCoO2、LiNixMn1-xO2、LiNixCo1-xO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2或LiNiO2，为二维或三维正极，其中，x的取值范围是0至1，y的取值范围是0至1。
6.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述电解质膜包括，晶体形无机固体电解质、玻璃态及无定形无机固体电解质和复合锂离子无机固体电解质，厚度0.1～10μm。
7.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述负极膜为TiO2、Si、Sn或Li，厚度0.1～1000μm。
8.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述负极极耳通过绝缘薄膜材料与负极集流体以外的薄膜隔绝。
9.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述绝缘薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、聚乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜或高温聚酯薄膜，厚度为1～1000μm。
10.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述负极极耳材料为镍、铜、铝或不锈钢，负极极耳为“L”形，厚度为10～1000μm；所述负极极耳引出方向为任意方向。
11.根据权利要求1所述的直立结构的全固态薄膜锂离子电池极耳引出方法，其特征在于，所述导电粘结胶包括Ag和铜导电胶。
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