CN108155306B - 一种固态锂电池封装结构、锂电池及其封装方法 - Google Patents

一种固态锂电池封装结构、锂电池及其封装方法 Download PDF

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Abstract

一种固态锂电池封装结构用于锂电池电芯侧面封装，包括依次叠设的阻挡层、阻隔层和保护层，阻挡层为含锂化合物，且为亲锂薄膜层，阻隔层面积小于阻挡层，且全部设置于阻挡层上。一种采用上述封装结构进行封装的固态锂电池，锂电池电芯包括叠设的正极结构、固态电解质和负极结构，锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面，封装结构围设在锂电池电芯侧面。一种固态锂电池的封装方法，提供上述锂电池电芯，在锂电池电芯侧面从靠近锂电池电芯到远离锂电池电芯依次形成阻挡层、阻隔层和保护层。本发明上述技术方案具有结构致密，与电池紧密结合，保护兼容锂合金的良好性能。

Description

一种固态锂电池封装结构、锂电池及其封装方法
【技术领域】
本发明涉及固态锂电池及其封装技术领域，尤其涉及一种固态锂电池封装结构、锂电池及其封装方法。
【背景技术】
全固态锂电池是下一代锂电池技术，具有比容量高，循环寿命长，安全性能好的特点。全固态锂电池在电动汽车、3C产品等领域有广泛的应用前景。
电池封装是决定锂电池电芯性能的关键步骤。因采用的材料体系与器件结构不同，传统锂电池的封装材料、工艺等已不能应用在全固态锂电池器件上。目前现有的铝塑膜封装工艺，存在封装膜与电池本体结合不紧密，可能存在空气影响其循环性能，并且铝塑膜部分物质会与锂金属或锂合金负极发生反应。
【发明内容】
为克服目前的封装膜与电池本体结合不紧密，并且封装膜不兼容锂金属或锂合金负极的问题。本发明将提供一种固态锂电池封装结构、锂电池及其封装方法。
本发明为解决上述问题，提供一技术方案如下：一种固态锂电池封装结构用于锂电池电芯侧面封装，包括依次叠设的阻挡层、阻隔层和保护层，所述阻挡层为含锂化合物，且为亲锂薄膜层。
优选地，所述含锂化合物包括LiF或LiCl中的任一种或两种的组合，厚度为25nm-110μm。
优选地，所述阻隔层为铝膜，厚度为25nm-110μm。
优选地，所述阻隔层面积小于所述阻挡层，且全部设置于所述阻挡层上。
优选地，所述保护层包括聚酰胺材料或聚酯材料之一种或几种，厚度为0.9μm -110μm。
优选地，所述阻隔层和保护层之间还设有热熔胶层。
本发明还提供了一种一种固态锂电池，其特征在于：包括锂电池电芯以及如权利要求1-5任一条所述的封装结构，所述锂电池电芯包括叠设的正极结构，固态电解质和负极结构，定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面，所述封装结构围设在锂电池电芯侧面，所述封装结构包括从靠近锂电池电芯到远离锂电池电芯，依次叠设的阻挡层、阻隔层和保护层。
优选地，所述阻挡层包括LiF或LiCl中的任一种或两种的组合，厚度为25nm-100μm。
本发明还提供了一种固态锂电池的封装方法，提供锂电池电芯，该锂电池电芯包括叠设的正极结构，固态电解质和负极结构，定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为锂电池电芯两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面；
在所述锂电池电芯侧面从靠近锂电池电芯到远离锂电池电芯依次形成阻挡层、阻隔层和保护层，所述阻挡层包括含锂化合物。
优选地，所述阻挡层通过蒸发沉积于锂电池电芯侧面，所述阻隔层通过磁控溅射或共蒸发形成于阻挡层上，所述保护层通过热压或粘附于所述阻隔层上。
相对于现有技术，本发明中提供的全固态锂电池，仅需封装结构在锂电池电芯侧面封装，即可实现完整的全固态锂电池，大大简化了锂电池封装，既节约了锂电池成本又提高了其密封性能。
进一步的，本发明所提供的全固态锂电池的封装结构通过选用稳定的阻挡层，可以有效的兼容和保护锂金属或锂合金负极，有效的阻挡了锂金属向外渗透，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；同时，通过在阻挡层上沉积铝膜阻隔层，有效的阻隔了外界的水分和氧气进入全固态锂电池内部，进而破坏电池结构，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；同时，通过在铝膜阻隔层上设置保护层，有效的防止了外界力损伤电池结构，有效的保护了电池结构。
本发明中提供的全固态锂电池的封装方法，通过在锂电池电芯表面真空蒸发沉积阻挡层，有效的提高了阻挡层紧密性，同时有效的兼容和保护锂金属或锂合金负极，有效的阻挡了锂金属向外渗透，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；进一步的，通过在阻挡层上磁控溅射或真空蒸发沉积铝膜阻隔层，进一步加强了阻挡层与阻隔层的紧密性，又有效的阻隔了外界的水分和氧气进入全固态锂电池内部，进而破坏电池结构，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；进一步的，通过在铝膜阻隔层上热压复合保护层，有效的防止了外界力损伤电池结构，有效的保护了电池结构。可以理解，本发明提供的全固态锂电池的封装方法，是在电信表面逐层封装锂电池电芯，可见本封装方法所全固态锂电池具有结构致密，且于锂电池电芯紧密结合，能够更好的保护锂电池电芯。
【附图说明】
图1是本发明中一种固态锂电池的结构示意图。
图2是本发明中固态锂电池的封装结构示意图。
图3是本发明一种固态锂电池封装方法流程示意图。
图4是本发明一种固态锂电池封装方法的封装过程示意图。
图5是本发明中蒸发沉积阻挡层流程示意图示意图。
图6是本发明中沉积隔离层流程示意图。
图7是本发明中热压复合保护层的流程示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供了一种固态锂电池10，其主要包括锂电池电芯11以及封装结构12。所述锂电池电芯11包括依次堆叠设置的正极结构111、固态电解质112和负极结构1113，现定义所述锂电池电芯中正极结构111以及负极结构113远离固态电解质112的一侧为锂电池电芯两相对的端面114，两端面114之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面115。
所述封装结构12围设在锂电池电芯11侧面115上，且所述封装结构11包括从靠近锂电池电芯11侧面115到远离锂电池电芯11侧面115，依次叠设的阻挡层121、阻隔层122和保护层123。
具体的，所述正极结构111包括远离固态电解质12的正极集电极1111以及靠近固态电解质12的正极材料层1112，所述负极结构113包括远离固态电解质12的负极集电极1131以及靠近固态电解质12的负极材料层1132。
所述阻挡层121为亲锂薄膜层，其形成于所述锂电池电芯11侧面15之上。其主要用于保护锂电池电芯11中锂及锂合金，防止金属锂离子上外渗透；其也可以用于粘结所述锂电池电芯11侧面15。所述阻挡层121包括LiF或LiCl中的任一种，其主要通过蒸发直接沉积于所述锂电池电芯11侧面15上。所述阻挡层122沉积厚度H1为25nm-110μm；进一步的，所述阻挡层122沉积厚度H1还可为30nm-100μm；具体的，所述阻挡层122沉积厚度H1具体为30nm、50nm、10μm、90μm 或100μm中的任一种。
所述阻隔层122为铝膜阻隔层122，其主要用于隔绝外界环境中的水分和氧气进入锂电池电芯11，所述铝膜阻隔层122通过磁控溅射或蒸发沉积于所述阻挡层121远离所述锂电池电芯11一侧的表面上。并且，所述铝膜阻隔层122面积始终不大于所述阻挡层121，可以理解，所述铝膜阻隔层122始终不与锂电池电芯11直接接触。
所述阻隔层122沉积厚度H2为25nm-110μm；进一步的，所述阻隔层122沉积厚度H2还可为30nm-100μm；具体的，所述阻隔层122沉积厚度H2具体为30nm、50nm、10μm、90μm 或100μm中的任一种。
所述保护层123形成于所述阻隔层122远离所述阻挡层121的表面上，其中主要通过热压复合的形式覆设于所述阻隔层122表面上，其主要用于防止外力伤损锂电池电芯11。所述保护层123厚度H3为0.9μm -110μm；所述保护层123厚度H3还可为1μm -100μm；所述保护层123厚度H3具体可为1μm 、10μm 、90μm 或100μm中。
进一步的，保护层123主要包括聚酰胺材料和聚酯材料中的任一种，所述聚酰胺材料主要包括聚酰胺、聚酰胺6、聚葵二酸葵二胺、聚癸二酰己二胺、聚己内酰胺或聚己二酰己二胺中的任一种或几种。所述聚酯材料主要包括PET薄膜、PBT薄膜或PAR薄膜中的任一种或几多种。
请进一步参阅图2，在本发明的一些实施例中，所述保护层123和阻隔层122之间还设有一胶黏层124，所述胶黏层124为热熔胶层124，其主要用于粘接所述保护层123和所述阻隔层122。
请参阅图3和图4，本发明还提供一种全固态锂电池的封装方法，其主要步骤包括：
步骤S10，提供一锂电池电芯，其主要包括依次堆叠设置的正极结构、固态电解质和负极结构，现定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为锂电池电芯两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面。
步骤S11，在锂电池电芯侧面上形成阻挡层，所述阻挡层包括含锂化合物；
步骤S12，在阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上形成阻隔层；
步骤S13，在阻隔层远离所述阻挡层的表面上形成保护层；通过上述步骤完成锂电池电芯封装，进而形成全固态锂电池。
本发明的一些实施例中，一种全固态锂电池的封装方法，其主要步骤包括：
步骤S10，提供一锂电池电芯，其主要包括依次堆叠设置的正极结构、固态电解质和负极结构，现定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为锂电池电芯两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面。
步骤S11，在锂电池电芯侧面上通过蒸发沉积形成阻挡层，其具体步骤包括：
步骤S111，提供一真空蒸镀设备，一钼舟或铊舟加热源，安装好LiF或LiCl中的任一种靶材；
步骤S112，调节真空度至（1-10）×10-3Pa；
步骤S113，将钼舟或铊舟温度控制至440-460℃；
步骤S114，调节沉积速率至0.2-3.2nm/s；
步骤S115，控制沉积时间为0.9-11小时，沉积阻挡层。
请进一步参阅图6，步骤S12，在阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上磁控溅射或蒸发沉积形成铝膜阻隔层；
所述步骤S12具体包括两中独立并行的步骤S121和步骤S122，通过步骤S121和步骤S122中任一步骤都可实现在阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上磁控溅射或蒸发沉积形成铝膜阻隔层。所述步骤121为在阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上磁控溅射形成铝膜阻隔层；所述步骤121为在阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上真空蒸发形成铝膜阻隔层；
具体地，步骤121包括：
步骤1211，提供一磁控溅射设备，安装好AL元素靶材，所述Al靶材为圆形，其直径为60-100mm；
步骤1212，调节真空度至（3.5-4.5）×10-4Pa；
步骤1213，调节Ar气流量为1.8-2.2L/S，使工作压力为1.6-1.8Pa；
步骤1214，调节磁控溅射功率密度至5-17Kw/cm2；
具体地，步骤122包括：
步骤S1221，提供一真空蒸镀设备，一钼舟或铊舟加热源，安装好AL元素靶材；
步骤S1222，调节真空度至（1.5-10）×10-3Pa；
步骤S1223，将钼舟或铊舟温度控制至990-1010℃；
步骤S1224，调节沉积速率至0.2-3.2nm/s；
步骤S1225，控制沉积时间为0.04-11小时，沉积铝膜阻隔层。
请进一步参阅图7，步骤S13，在铝膜阻隔层远离所述阻挡层的表面上热压复合保护层，其具体包括：
步骤S131，提供一预制聚酰胺薄膜或聚酯薄膜；
步骤S132，加热聚酰胺薄膜或聚酯薄膜，并控制温度150-200℃，使聚酰胺薄膜或聚酯薄膜软化；
步骤S133，加热步骤S12所述锂电池电芯结构至80-120℃，将软化后的聚酰胺薄膜或聚酯薄膜，热压于阻隔层远离所述阻挡层的表面上，热压压力为0.08-0.2Mpa；
步骤S134，控制压合时间为5-15min。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S13还可为：
步骤S131、，提供一预制聚酰胺薄膜或聚酯薄膜；
步骤S132、，在铝膜阻隔层远离所述阻挡层的表面上涂覆一热熔胶层，热熔胶层厚度H4为5-20nm（请进一步参阅图2）；
步骤S133、，分别加热聚酰胺薄膜或聚酯薄膜，并控制温度150-200℃使聚酰胺薄膜或聚酯薄膜软化，加热热熔胶层80-120℃使其软化；
步骤S134、，将软化后的聚酰胺薄膜或聚酯薄膜，热压合于软化后的热熔胶层上，热压压力为0.08-0.2Mpa；
步骤S135，控制压合时间为5-15min。
本发明的一些具体实施例中，一种固态锂电池的封装方法，其具体包括：
步骤S20，提供一锂电池电芯，其主要包括依次堆叠设置的正极结构、固态电解质和负极结构，现定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为锂电池电芯两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面。
步骤S21，在锂电池电芯侧面上真空蒸发沉积形成LiF阻挡层；
步骤S211，提供一真空蒸镀设备，一钼舟加热源，并安装好LiF靶材；
步骤S212，调节真空度至5×10-3Pa；
步骤S213，将钼舟温度控制至450℃；
步骤S214，调节沉积速率至1nm/s；
步骤S215， 控制沉积时间为3小时，沉积10μm LiF阻挡层。
步骤S22，在LiF阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上磁控溅射形成厚度为10nm的铝膜阻隔层，其具体包括：
步骤221，提供一磁控溅射设备，安装好AL元素靶材，所述Al靶材为圆形，其直径为60mm；
步骤122，调节真空度至4.0×10-4Pa；
步骤123，调节Ar气流量为2.0L/S，使工作压力为1.7Pa
步骤124，调节磁控溅射功率密度至5Kw/cm2；
步骤S23，在铝膜阻隔层远离所述LiF阻挡层的表面上，通过溶胶层热压复合聚酰胺6薄膜保护层，其具体步骤包括：
步骤S231，提供一预制聚酰胺6薄膜；
步骤S232，在铝膜阻隔层远离所述LiF阻挡层的表面上涂覆一热熔胶层，热熔胶层厚度为10 nm；
步骤S133、，加热预制聚酰胺6薄膜，并控制温度至160℃使预制聚酰胺6薄膜层软化，加热热熔胶层，并控制温度100℃使其软化；
步骤S134、，将软化后的预制聚酰胺6薄膜热压合于软化后的热熔胶层上形成聚酰胺6薄膜层，热压压力为0.1Mpa；
步骤S135，控制压合时间为10min。
本发明的一些具体实施例中，一种固态锂电池的封装方法，其具体包括：
步骤S30，提供一锂电池电芯，其主要包括依次堆叠设置的正极结构、固态电解质和负极结构，现定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面。
步骤S31，在锂电池电芯侧面上真空蒸发沉积形成LiF阻挡层；
步骤S311，提供一真空蒸镀设备，一钼舟加热源，安装好LiF靶材；
步骤S312，调节真空度至5×10-3Pa；
步骤S313，将钼舟温度控制至450℃；
步骤S314，调节沉积速率至1nm/s；
步骤S315， 控制沉积时间为4.5小时，沉积15μm LiF阻挡层。
步骤S32，在LiF阻挡层远离所述锂电池电芯的表面上蒸发沉积形成铝膜阻隔层，其具体包括：
步骤S321，提供一真空蒸镀设备，一钼舟加热源，并安装好AL元素靶材；
步骤S322，调节真空度至1.2×10-3Pa；
步骤S323，将钼舟温度控制至1000℃；
步骤S324，调节沉积速率至3.0nm/s；
步骤S325，控制沉积时间为10小时，沉积铝膜阻挡层。
步骤S33、，在铝膜阻隔层远离所述LiF阻挡层的表面上通过热熔胶层热压复合PET薄膜层，其具体包括：
步骤S331，提供一预制PET薄膜；
步骤S332，在铝膜阻隔层远离所述阻挡层的表面上涂覆一热熔胶层，涂覆厚度为10nm；
步骤S333，加热PET薄膜，并控制温度150℃使PET薄膜层软化，加热热熔胶层，并控制温度100℃使其热熔胶层软化；
步骤S334，将软化后的PET薄膜层，热压合于软化后的热熔胶层上，热压压力为0.1Mpa；
步骤S135，控制压合时间为10min。
相对与现有技术，本发明所提供的全固态锂电池的封装结构通过选用稳定的阻挡层，可以有效的兼容和保护锂金属或锂合金负极，有效的阻挡了锂金属向外渗透，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；同时，通过在阻挡层上沉积铝膜阻隔层，有效的阻隔了外界的水分和氧气进入全固态锂电池内部，进而破坏电池结构，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；同时，通过在铝膜阻隔层上设置保护层，有效的防止了外界力损伤电池结构，有效的保护了电池结构。
进一步的，本发明中提供的全固态锂电池，通过使用本发明上述的全固态锂电池的封装结构封装锂电池电芯，能够有效兼和保护容锂电池电芯中锂金属及锂合金负极，同时，具有封装紧密，能够有效保护锂电池电芯，进而使本发明中提供的全固态锂电池具有极高的使用寿命。
本发明中提供的全固态锂电池的封装方法，通过在锂电池电芯表面直接真空蒸发沉积阻挡层，有效的提高了阻挡层紧密性，同时有效的兼容和保护锂金属或锂合金负极，有效的阻挡了锂金属向外渗透，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；进一步的，通过在阻挡层上磁控溅射或真空蒸发沉积铝膜阻隔层，进一步加强了阻挡层与阻隔层的紧密性，又有效的阻隔了外界的水分和氧气进入全固态锂电池内部，进而破坏电池结构，保护和延长了全固态锂电池的使用寿命；进一步的，通过在铝膜阻隔层上热压复合保护层，有效的防止了外界力损伤电池结构，有效的保护了电池结构。可以理解，本发明提供的全固态锂电池的封装方法，是在电信表面逐层封装锂电池电芯，可见本封装方法所述全固态锂电池具有结构致密，且于锂电池电芯紧密结合，能够更好的保护锂电池电芯。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种固态锂电池封装结构，用于锂电池电芯侧面封装，其特征在于：包括依次叠设的阻挡层，阻隔层和保护层，所述锂电池电芯包括叠设的正极结构，固态电解质和负极结构，定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面，所述封装结构围设在锂电池电芯侧面；
所述阻挡层为含锂化合物，且为亲锂薄膜层，所述含锂化合物包括LiF、LiCl中的任一种或两种的组合，所述阻隔层面积小于所述阻挡层，且全部设置于所述阻挡层上；
所述阻挡层通过蒸发沉积于锂电池电芯侧面，所述阻隔层通过磁控溅射或共蒸发形成于阻挡层上，所述保护层通过热压或粘附于所述阻隔层上。
2.如权利要求1所述的固态锂电池封装结构，其特征在于：所述含锂化合物厚度为25nm-110μm。
3.如权利要求1所述的固态锂电池封装结构，其特征在于：所述阻隔层为铝膜，厚度为25nm-110μm。
4.如权利要求1所述的固态锂电池封装结构，其特征在于：所述保护层包括聚酰胺材料、聚酯材料之一种或几种，厚度为0.9μm -110μm。
5.如权利要求4所述的固态锂电池封装结构，其特征在于：所述阻隔层和保护层之间还设有热熔胶层。
6.一种固态锂电池，其特征在于：包括锂电池电芯以及如权利要求1-5任一条所述的封装结构，所述锂电池电芯包括叠设的正极结构，固态电解质和负极结构，定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面，所述封装结构围设在锂电池电芯侧面，所述封装结构包括从靠近锂电池电芯到远离锂电池电芯，依次叠设的阻挡层、阻隔层和保护层。
7.如权利要求6所述的固态锂电池，其特征在于：所述阻挡层厚度为25nm-100μm。
8.一种固态锂电池的封装方法，其特征在于：提供锂电池电芯，该锂电池电芯包括叠设的正极结构，固态电解质和负极结构，定义所述锂电池电芯中正极结构以及负极结构远离固态电解质的一侧为锂电池电芯两相对的端面，两端面之间的锂电池电芯表面为锂电池电芯侧面；
在所述锂电池电芯侧面从靠近锂电池电芯到远离锂电池电芯依次形成阻挡层、阻隔层和保护层，所述阻挡层包括含锂化合物，且为亲锂薄膜层，所述含锂化合物包括LiF、LiCl中的任一种或两种的组合；所述阻隔层面积小于所述阻挡层，且全部设置于所述阻挡层上；
所述阻挡层通过蒸发沉积于锂电池电芯侧面，所述阻隔层通过磁控溅射或共蒸发形成于阻挡层上，所述保护层通过热压或粘附于所述阻隔层上。
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