CN107069095A - 固态电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固态电池及其制造方法。固态电池包括通过串联或并联方法层叠的两个或更多个单元电池。确切地说，两个或更多个单元电池被层叠为使得一个单元电池的集电器接触下一单元电池的电极层。因此，无需以高压进行加压，这样不会引起单元电池之间的任何短路，且固态电池可以稳定地工作。

Description

固态电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及两个或更多个单元电池(unit cell)通过串联或并联方法层叠而成的固态电池及其制造方法。

背景技术

二次电池已经广泛地用于例如车辆、能量储存系统等大尺寸设备到例如手机、摄录像机、膝上型计算机等小尺寸设备。

在各种二次电池当中，与镍锰电池和镍镉电池相比，锂二次电池有利地具有较高能量密度和大的每单位面积容量。

然而，上述锂二次电池可能并不适于车辆的下一代电池，因为锂二次电池可能容易过热，且其能量密度为约360Wh/kg，因此其输出较差。

出于该原因，对具有高输出和高能量密度的固态电池的关注度已经增加。固态电池理论上具有约2600Wh/kg的能量密度，这是常规的锂二次电池的约7倍，因此固态电池可以被用作电动车的电源。

此外，当以将单元电池层叠成预定结构的方式制成固态电池时，可以获得较高工作电压或容量。

通过层叠单元电池来制造固态电池的方法可以被分类为并联方法和串联方法。并联方法是以下方法：通过将具有相同极性的电极层定位在集电器(current collector)的两个表面上来层叠单元电池；而串联方法是以下方法：具有不同极性的电极层定位在集电器的两个表面上。

第10-2014-0009497号韩国专利早期公开已经揭示一种固态电池，其中通过使用双极电极的串联方法来层叠单元电池。根据上述韩国专利公开，因为单元电池以双极电极结构配置，所以在将单元电池层叠时，固态电解质层和电极层(阳极层或阴极层)被布置成彼此接触。因为锂离子应当在固态电解质层和电极层之间传导，所以这两层应被牢固地接合。为此目的，应该实施以下过程：将两个或更多个单元电池层叠并以高压对单元电池加压。

然而，在上述情况中，由于施加到每一单元电池的压力是不均匀的，因此在单元电池之间可能发生短路。当减少压力以试图防止此短路时，固态电解质层和电极层之间的接合力可能发生退化，这可能引起容量减少。

发明内容

在优选方面中，本发明提供一种固态电池及其制造方法，所述方法可以包括将两个或更多个单元电池层叠，使得电池可以稳定地工作而不会造成单元电池之间的任何短路。

在一个方面中，所提供的是可以包括两个或更多个单元电池的固态电池，且每一单元电池可以包括：集电器、固态电解质层和由阳极层和阴极层形成的电极层。在一个优选方面中，两个或更多个单元电池可以被层叠，例如，相邻单元电池可以被层叠为使得一个单元电池(例如，第一单元电池)的集电器可以接触下一单元电池(例如，第二单元电池)的电极层。

在根据本发明的固态电池中，单元电池可以具有包括集电器、阳极层、固态电解质层和阴极层的结构，这些层可以按此顺序依次层叠，且相邻单元电池可以以如下方式层叠，使得一个单元电池(例如，第一单元电池)的集电器可以接触下一单元电池(例如，第二单元电池)的阴极层，由此制造串联电池结构的固态电池。

在根据本发明的固态电池中，单元电池可以包括：第一单元电池，包括可以按顺序依次层叠的第一集电器、第一阳极层、第一固态电解质层和第一阴极层；和第二单元电池，包括可以按顺序依次层叠的第二集电器、第二阴极层、第二固态电解质层和第二阳极层。特别地，第一单元电池和第二单元电池可以被层叠为使得第一单元电池和第二单元电池可以交替层叠，且具有相同极性的电极层(例如，第一和第二阴极层，或第一和第二阳极层)可以被设置在第一集电器或第二集电器的两个表面上，由此以并联结构制造固态电池。

在根据本发明的固态电池中，固态电池可以进一步包括插入在相邻单元电池之间的电导率增强层。

在另一方面中，本发明提供一种固态电池的制造方法。所述方法可以包括(1)通过在集电器上形成固态电解质层以及由阴极层和阳极层形成的电极层来制备单元电池；(2)对所述单元电池加压；以及(3)以一个单元电池的集电器可以接触下一单元电池的电极层的方式接合两个或更多个单元电池。

优选地，单元电池可以通过按在集电器上按顺序依次形成阴极层、固态电解质层和阴极层来制备。优选地，当接合两个或更多个单元电池时，可以形成串联电池结构，使得一个单元电池的集电器可以接触下一单元电池的阴极层。

优选地，单元电池可以通过以下步骤来制备：通过按顺序在第一集电器上依次形成第一阳极层、第一固态电解质层和第一阴极层来制备第一单元电池；以及通过按顺序在第二集电器上依次形成第二阴极层、第二固态电解质层和第二阳极层来制备第二单元电池。另外，两个或更多个单元电池可以接合以形成并联电池结构，使得第一单元电池和第二单元电池可以交替接合，且具有相同极性的电极层(阴极)可以设置在第二集电器的两个表面上。

在根据本发明的固态电池的制造方法中，当接合单元电池时，电导率增强层可以插入在相邻单元电池之间。

另外，提供一种车辆，包括如本文中所描述的固态电池。

本发明的其它方面和优选实施例在下文论述。

本发明能够提供以下有利效果。

根据本发明的固态电池可以提供稳定的操作，而不造成在单元电池之间的任何短路，因为无需以高压进行加压来层叠相邻单元电池，其中一个单元电池的集电器和另一单元电池的电极层可以彼此接触。

此外，根据本发明的固态电池可以通过测量每一单元电池的开路电压来容易地确定每一单元电池的短路状态。恢复也可以是容易的，因为可以选择性地移除短路电池。

本发明的有利效果并不意图限制上述效果。应理解，本发明的有利效果覆盖以下描述中的所有可能效果。

附图说明

现将参考本发明的在附图中说明的某些示例性实施例来详细地描述本发明的上述和其它特征，所述附图在下文中仅作为说明给出，且因此并不限制本发明，并且其中：

图1说明常规的层叠有单元电池的固态电池中的单元电池的配置；

图2说明常规的层叠有单元电池的固态电池；

图3说明根据本发明的示例性实施例的示例性单元电池；

图4说明根据本发明的示例性实施例的示例性固态电池；

图5说明根据本发明的示例性实施例的在图4中的示例性固态电池的示例性制造方法；

图6说明根据本发明的示例性实施例的在图5中的制备示例性单元电池的示例性过程(S1)；

图7说明根据本发明的示例性实施例的示例性单元电池；

图8说明根据本发明的另一示例性实施例的示例性固态电池；

图9说明根据本发明的示例性实施例的在图8中的示例性固态电池的示例性制造方法；

图10示出根据本发明的实验例1的结果；

图11示出根据本发明的实验例2的实施例1的结果；以及

图12示出根据本发明的实验例2的实施例2的结果。

应理解，附图未必按比例绘制，从而呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化表示。如本文中所揭示的包含例如特定尺寸、朝向、位置以及形状的本发明的特定设计特征将部分通过特定的既定应用和使用环境来确定。

在图式中，参考标号贯穿附图的若干图式指代本发明的相同或等效部分。

具体实施方式

本文中使用的术语是仅出于描述特定示例性实施例的目的，且并不意图限制本发明。如本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”以及“所述”意图也包含复数形式。应进一步理解，当用于此说明书中时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。如本文中所使用，术语“和/或”包含相关联的所列项中的一个或多个的任何或所有组合。

如本文中所使用，除非明确地陈述或从上下文显而易见，否则术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在均值的2个标准差内。“约”可以被理解为在所陈述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚，否则本文中提供的所有数值都通过术语“约”修饰。

应理解，如本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包含机动车，例如包含运动型多功能车(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车、包含多种船舶的船只、飞机等，且包含混合动力车、电动车、插电式混合动力车、氢燃料车已经其它替代燃料车(例如，从除石油外的资源获得的燃料)。如本文中所提及，混合动力车是具有两种或多于两种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力车辆。

在下文中，现将详细参考本发明的各种实施例，所述实施例的实例在附图中说明且在下文描述。尽管将结合示例性实施例来描述本发明，但应理解，当前描述并不意图将本发明限于那些示例性实施例。相反，本发明意图不仅覆盖示例性实施例，而且还覆盖各种替代实施例、修改、等效实施例以及其它实施例，所述实施例被包含在由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内。

如果任何部件被认为使得本发明的主题不清楚，那么将省略此类部件的配置和功能。

在本发明中，术语“阴极层”表示可以包含阴极活性材料的层，所述阴极活性材料例如导电材料、粘合剂、固态电解质等。在本发明中，术语“阳极层”表示可以包含阳极活性材料的层，所述阳极活性材料例如导电材料、粘合剂、固态电解质等。

在本发明中，术语“固态电解质层”和“集电器”具有与在本发明所属的技术领域中已知的功能、操作等相同的定义，因此对其的详细描述将被省略。

本发明提供一种固态电池及其制造方法，所述固态电池包含两个或更多个单元电池。每一单元电池可以包括集电器、固态电解质层和电极层(即，阳极层和阴极层)，这些部分可以被层叠。

图1说明常规的层叠有单元电池的固态电池中的单元电池。例如，图1示出通过串联方法层叠的固态电池的单元电池。

在现有技术中，已经通过将具有不同极性的电极层涂覆在集电器的两个表面上来制造双极电极。如图1中所示，阴极层70形成于集电器60的一个表面上，且阳极层80形成于所述集电器的另一侧上。单元电池可以通过形成固态电解质层90来制造。

如图2中所说明，固态电池可以通过以下步骤来制造：将单元电池层叠，使得第一单元电池的固态电解质层90’和第二单元电池的电极层(更具体地说，阴极层70)可以彼此接触。

在此类固态电池中，因为锂离子移动通过固态电解质层与电极层之间的界面，所以这两层之间的界面应致密地形成。当将均具有常规配置的两个或更多个单元电池层叠时，固态电解质层与电极层之间的期望界面可能不能通过接合相邻单元电池来适当地形成。出于该原因，常规的固态电池应以高压进行加压，或者应在单元电池已经被层叠后最终以高温进行热处理。

然而，当施加高压以将两个或更多个单元电池层叠时，可能不能将均匀压力施加到每一单元电池。因此，短路可能频繁地在单元电池之间发生。

当减少压力以防止上述问题(例如，短路)时，固态电解质层与电极层之间的界面可能不能致密地形成，这将引起减小的电池容量。

在常规固态电池中，需要在固态电解质层与其相邻电极层之间供应高压。在此情况下，可以在上述两层之间实现强接合力，使得单元电池不能容易地彼此分离。出于该原因，难以测量单元电池的开路电压。当在单元电池中发生任何短路时，可能难以找出对应的短路单元电池。即使找出短路的单元电池，也不容易选择性地移除短路的单元电池。因此，固态电池的恢复可能不容易。

因此，本发明试图解决上述问题。在本发明中，单元电池可以具有不同于常规结构的新结构。

更具体地说，本发明可以提供包括两个或更多个单元电池的固态电池，且每一个单元电池可以包括集电器、固态电解质层以及电极层(阳极层和阴极层)，这些部分可以被层叠。在相邻单元电池中的一个单元电池的集电器接触下一单元电池的电极层。

将描述根据本发明的示例性实施例的通过串联方法来层叠两个或更多个单元电池的固态电池。

如图3中所说明，可以以如下方式配置根据本发明的示例性实施例的单元电池10：集电器11、阳极层12、固态电解质层13以及阴极层14可以按此次序依次层叠。

如图4中所说明，可以通过将两个或更多个单元电池层叠，使得第一单元电池10的集电器11可以与第二单元电池10’的第二阴极层14’接触，来制造具有串联连接结构的固态电池。根据本发明的串联方法表示以下方法：其中单元电池可以被层叠，使得具有彼此不同的极性的电极层可以设置在第一单元电池的集电器11的两个表面上。

电导率增强层15可以插入在相邻单元电池之间。上述电导率增强层15可以提供用于减小电极层(阳极层和阴极层)与集电器之间的任何电阻。可以防止在电池的充电和放电期间，因电极层的体积膨胀而造成的电极层与集电器之间的任何可能的不良接触。对其的具体描述将稍后提供。

如图5中所示，固态电池的制造方法可以提供两个或更多个单元电池，这些单元电池可以通过根据本发明的示例性实施例的串联方法来层叠。所述方法可以包括：(1)步骤S1，通过在集电器11上按顺序依次形成阳极层12、固态电解质层13以及阴极层14来制备单元电池10；(2)步骤S2，对单元电池10加压以使单元电池一体化(integrate)；以及(3)步骤S3，接合两个或更多个单元电池，使得一个单元电池10(例如，第一单元电池)的集电器11和下一单元电池10’(例如，第二单元电池)的阴极层14’彼此接触。

如图6中所说明，当制备单元电池(S1)时，可以在集电器11上按顺序依次形成阳极层12和固态电解质层13(S11)；在基材(substrate)16(例如，薄膜等)上形成阴极层14(S12)；以及使固态电解质层13与阴极层14接触(S13)，由此制备单元电池10。

阳极层、固态电解质层以及阴极层可以通过任何已知方法形成。优选地，固态电解质层和阴极层可以通过湿浆浇注方法形成。

在步骤S2中，当以预定压力对单元电池加压时，电极层与固态电解质层之间的界面可以致密地形成。因为用于加压的压力范围是众所周知的，所以对其的描述将被省略。

当通过图6中的方法制备单元电池时，可以在对单元电池加压(S2)后且在接合单元电池(S3)前移除基材16(例如，薄膜等)。

在步骤S3中，每一单元电池的粘附可以通过已知方法中的任何方法来实施，但单元电池也可以通过涂覆胶粘剂来接合。

此外，当在步骤S3中层叠每一单元电池时，电导率增强层15可以插入在相邻单元电池之间(例如，在第一单元电池与第二单元电池之间)。

将描述根据本发明的示例性实施例的可以通过并联方法层叠两个或更多个单元电池的固态电池。

如图7中所说明，根据本发明的示例性实施例的单元电池20可以是由第一单元电池20a和第二单元电池20b形成的结构。

第一单元电池20a表示以下单元电池：其中第一集电器21、第一阳极层22、第一固态电解质层23以及第一阴极层24可以按此顺序依次层叠。

第二单元电池20b表示以下单元电池：其中第二集电器21’、第二阴极层24’、第二固态电解质层23’以及第二阳极层22’可以按此顺序依次层叠。

如图8中所说明，具有并联连接结构的固态电池可以通过将第一单元电池20a和第二单元电池20b交替地层叠来制造。本发明的并联方法可以提供以下方法：其中单元电池可以被层叠，使得具有相同极性的电极层可以设置在第二集电器21’的两个表面上。

根据本发明的示例性实施例，电导率增强层25可以插入在相邻单元电池之间。其配置将在稍后描述。

如图9中所示，固态电池的制造方法可以包括通过并联方法来层叠两个或更多个单元电池。根据本发明的示例性实施例的方法可以包括：步骤S1’，通过在第一集电器21上按顺序依次层叠第一阳极层22、第一固态电解质层23以及第一阴极层24来制备第一单元电池20a；步骤S2’，通过在第二集电器21’上按顺序依次层叠第二阴极层24’、第二固态电解质层23’以及第二阳极层22’来制备第二单元电池20b；步骤S3’，对第一单元电池20a和第二单元电池20b加压以使其一体化；以及步骤S4’，接合第一单元电池和第二单元电池，使得在交替地层叠第一单元电池20a和第二单元电池20b的同时，具有相同极性的第一阴极层24和第二阴极层24可以设置在第二集电器21’的两个表面上。

阳极层、固态电解质层以及单元电池的配置在本文中可以在上文描述，因此将省略对其的描述。

在本发明的另一示例性实施例中，电导率增强层也可以插入在相邻单元电池之间(例如，在第一单元电池与第二单元电池之间)。其描述将被省略以便避免重复描述。

根据本发明的一个示例性实施例和另一示例性实施例的固态电池可以具有以下技术特征。

在常规固态电池中，当层叠单元电池时，固态电解质层和电极层(阳极层或阴极层)可以彼此接触。在本发明中，集电器和电极层(阳极层或阴极层)可以彼此接触。

因为集电器和电极层之间的界面不必形成为与固态电解质层和电极层之间的界面一样致密，所以即使单元电池简单地接合而不以高压进行加压，根据本发明的固态电池也可以正常地工作。

在本发明中，固态电解质层与电极层(阳极层或阴极层)之间的界面可以以单独对每一单元电池加压的方式形成为致密的。因为每一单元电池被单独加压，所以可以以较高压力对单元电池均匀地加压。出于该原因，每一层的界面都可以形成为致密的，且因此，不会发生常规固态电池的单元电池的短路问题。

在根据本发明的各种示例性实施例的固态电池中，尽管在制造每一单元电池时可能需要高压，但是在层叠单元电池时，即使单纯地接合单元电池，固态电池也可以正常地工作。因为固态电池的短路主要在施加最高压力时发生，所以可以通过准确地测量每一单元电池的制造过程后的开路电压，容易地检测单元电池的任何短路。

此外，因为通过简单的接触方法或粘合方法层叠每一单元电池，所以每一单元电池可以容易地彼此分离。当检测到短路的单元电池时，可以选择性地仅移除短路的单元电池，且相应地可以容易地恢复固态电池。

在根据本发明的固态电池中，电导率增强层可以插入在一个单元电池的集电器与另一单元电池的电极层之间。可以单纯地粘合单元电池，而不通过加压来一体化。因为电极层的体积随电池充电或放电而收缩或膨胀，所以一个单元电池的集电器与另一单元电池的电极层之间的接触可能不均匀。在本发明中，上述电导率增强层可以防止电池性能因不良接触而可能发生的退化。

实例

下文将描述本发明的实验例。以下实验例仅出于说明性目的而提供，因为它们并不意图限制本发明的范围。

实验例1

测量根据本发明的示例性实施例的示例性单元电池的容量和电压。

阳极层形成于集电器的一个表面上，且固态电解质层形成于阳极层上。阴极层形成于另一集电器的一个表面上。

此实验例1涉及仅测量单元电池的容量和电压，所以阴极层形成于集电器上，而非薄膜等上。

固态电解质层和阴极层彼此接触，且层叠主体都被施加3吨的压力，由此制备单元电池。

测量单元电池的容量和驱动电压。测量的结果在图10中示出且单元电池正常工作。

实验例2

测量通过根据本发明的串联方法层叠有两个或更多个单元电池的示例性固态电池的容量和电压。

阳极层形成于集电器的一个表面上，且固态电解质层形成于阳极层上。阴极层形成于薄膜的一个表面上。

固态电解质层和阴极层彼此接触，且层叠主体都以3吨的压力加压，由此制备单元电池。

在第一示例性实施例中，通过与图4中相同的方法层叠两个或更多个单元电池来制造固态电池。不施加任何压力。导电胶粘剂被涂覆在阴极层与集电器之间，且单元电池被接合。

在第二示例性实施例中，通过与图4中相同的方法层叠五个单元电池来制造固态电池。层叠方法与上述方法相同。

测量根据第一和第二示例性实施例的固态电池的容量和驱动电压。其结果在图11和图12中示出。

参考上述结果，获得与实验例1(单元电池)类似的容量。此外，驱动电压相应地增加两倍和五倍，这意味着电池的能量密度增加。因此，制造了层叠有两个或更多个单元电池的示例性固态电池，而在每一单元电池处没有任何短路。

已经参考本发明的各种示例性实施例详细描述本发明。然而，本领域的技术人员应了解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以在这些实施例中做出改变，本发明的范围在所附权利要求书及其等效物中界定。

Claims (9)

1.一种固态电池，包括：

两个或更多个单元电池，每一单元电池包括集电器、固态电解质层和由阳极层和阴极层形成的电极层，

其中，所述两个或更多个单元电池被层叠，且相邻单元电池被层叠为使得一个单元电池的集电器接触下一单元电池的电极层。

2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述单元电池包括按顺序依次层叠的集电器、阳极层、固态电解质层和阴极层，且相邻单元电池被层叠为使得一个单元电池的集电器接触下一单元电池的阴极层，由此制造串联电池结构的固态电池。

3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述固态电池包括：第一单元电池，包括按顺序依次层叠的第一集电器、第一阳极层、第一固态电解质层和第一阴极层；和第二单元电池，包括按顺序依次层叠的第二集电器、第二阴极层、第二固态电解质层和第二阳极层，并且所述第一单元电池和所述第二单元电池被层叠为使得所述第一单元电池和所述第二单元电池被交替层叠，且具有相同极性的电极层被设置在集电器的两个表面上，由此以并联结构制造固态电池。

4.根据权利要求1所述的电池，还包括：

电导率增强层，插入在相邻单元电池之间。

5.一种固态电池的制造方法，包括以下步骤：

通过在集电器上形成固态电解质层以及包括阴极层和阳极层的电极层来制备单元电池；

对所述单元电池加压；以及

接合两个或更多个所述单元电池，使得一个单元电池的集电器接触下一单元电池的电极层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述单元电池包括阳极层、固态电解质层和阴极层，这些层按此顺序依次形成于所述集电器上，且接合所述单元电池以形成串联电池结构，使得一个单元电池的集电器接触下一单元电池的阴极层。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过以下步骤来制备所述单元电池：

制备第一单元电池，所述第一单元电池包括按顺序依次层叠在第一集电器上的第一阳极层、第一固态电解质层和第一阴极层；

制备第二单元电池，所述第二单元电池包括依次层叠在第二集电器上的第二阴极层、第二固态电解质层和第二阳极层，并且所述第一单元电池和所述第二单元电池交替接合，且具有相同极性的电极层设置在集电器的两个表面上，由此形成并联电池结构。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，当接合所述单元电池时，在所述单元电池之间插入电导率增强层。

9.一种车辆，包括根据权利要求1所述的固态电池。