CN108270036A - 固态电池的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种固态电池的制作方法，其中，该固态电池包括一电池单元，电池单元包括一正极片、一固态电解质层及一负极片，正极片包括第一集电层及分别结合于第一集电层两侧面的正极材料层。而固态电池的制作方法为先将电池单元的一正极片、一固态电解质层及一负极片依序层叠，再将电池单元定位于压力舱内的附加电路板上，最后再提供20~200℃的温度控制与5~100000PSI的介质压力控制，借以使正极片、固态电解质层及负极片的各个接合面因软化而形成高致密接合。

Description

固态电池的制作方法

技术领域

本发明涉及一种固态电池的制作方法，尤指一种能将固态电池的固体本身或固体与固体之间无接口化的固态电池制作方式。

背景技术

一般锂电池内的电极片的制程大致分为堆栈及卷绕两种方式，两种方式都是在正极片及负极片之间夹置隔膜纸之后，再重复堆栈或卷绕而成，而在放进壳体之后，注入电解液，最后打钢珠封口则可成型一锂电池。然而，当电池芯处于充、放电状态、短路或高温环境下而使得电池液的温度升高到达大约75~80℃以上的高温时，由于隔膜纸与电解液均不耐高、低温，不但容易形成气胀及漏液的现象，造成电池芯的性能下降，甚至于会产生爆炸，而此种现象普遍出现在所有电池装置上，对于用户而言实存在有极高的风险。

若将液态电解液与隔膜纸抽换为固态时，上述问题就可以得到解决，大幅降低安全疑虑。但，目前一般的固态电池制作方式主要是采用双面均压(Isostatic pressure)法，其虽然可以有效提高成品使用的安全性，但由于其在压合平面及跨层受力上都不均匀，因此，容易使贴合效果好坏参差不齐而面临到材料内及不同材料层间的空乏区增加、高接口阻抗及能量密度低落的问题，且不适合应用于多层贴合的固态电池制作上；并且，上述双面均压的方式，其在上、下施压时，容易让电池材料由四周侧边被挤出，而导致层间距变动及批次稳定性下降。

发明内容

有鉴于此，为了提供一种有别于现有技术的结构，并改善上述的缺陷，发明人积多年的经验及不断的研发改进，遂有本发明的产生。

本发明的一目的在于提供一种利用物质加压软化特性，对压力舱内的电池单元施以温度、压力，而使电池单元的各层贴合的固态电池制作方法，能解决现有的固态电池的贴合效果好坏参差不齐而产生高接口阻抗及能量密度低落的问题，而能有效形成高致密结合层以消弭空乏区、降低接触接口阻抗、提高能量密度，并可执行高层数贴合。

本发明的一目的在于提供一种以全方位压力由电池单元的外周缘对电池单元的各层加压，以使各层的各个接合面软化后接合的固态电池制作方法，能解决使现有的用双面均压法而会让电池材料由四周侧边挤出的问题，而能让电池材料在软化之后，仍能维持在固定的空间位置，而可确保其性能。

为达到上述的目的，本发明所设的固态电池的制作方法包括下列步骤：步骤a.提供一电池单元，电池单元包括依序层叠的正极片、固态电解质层及负极片，正极片包括第一集电层及分别结合于第一集电层两侧面的正极材料层；步骤b.将电池单元定位于压力舱内的附加电路板上，压力舱内具有流体介质；以及步骤c.提供20~200℃的温度控制与5~100000PSI的介质压力控制，以使正极片、固态电解质层及负极片的各个接合面软化后接合。

实施时，该负极片包括一第二集电层及分别结合于第二集电层两侧面的负极材料层；而该介质为液体或气体。

实施时，本发明还包括一步骤d，将电池单元真空密封于一真空封装袋内。

实施时，本发明还可包括一步骤e，将附加电路板及电池单元真空密封于一真空封装袋内。

实施时，本发明还包括一步骤f，层叠一第一固态电解质层与电池单元，并同时卷绕第一固态电解质层与电池单元。

实施时，本发明还包括一步骤g，将上述卷绕的第一固态电解质层与电池单元真空密封于一真空封装袋内。

实施时，本发明还可包括一步骤h，将附加电路板及上述卷绕的第一固态电解质层与电池单元真空密封于一真空封装袋内。

实施时，步骤a的电池单元还层叠至少一第一电池单元，第一电池单元与电池单元之间还夹置一第二固态电解质层。

实施时，本发明还包括一步骤i，将上述层叠的电池单元、第二固态电解质层及至少一第一电池单元真空密封于一真空封装袋内。

实施时，本发明还可包括一步骤j，将附加电路板及上述层叠的电池单元、第二固态电解质层及至少一第一电池单元真空密封于一真空封装袋内。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的各组件的配置示意图。

图2为本发明的第一实施例的电池单元受压时的使用状态图。

图3为本发明的第二实施例的电池单元的剖面示意图。

图4为本发明的第三实施例的电池单元的剖面示意图。

图5为本发明的第四实施例的各组件的配置示意图。

图6为本发明的第五实施例的各组件的配置示意图。

附图标记说明

电池单元1 第一电池单元1’

正极片11、11’ 第一集电层111

正极材料层112、113 固态电解质层12、12’

第一固态电解质层121 第二固态电解质层122

负极片13、13’ 第二集电层131

负极材料层132、133 压力舱2

附加电路板3 介质4

真空封装袋5。

具体实施方式

本发明的固态电池的制作方法是先将一正极片、一固态电解质层及一负极片依序层叠而成一电池单元，再将电池单元定位于一附加电路板上，且电池单元及附加电路板同时置于一压力舱内，最后再给予设定的温度及压力控制之后，让正极片、固态电解质层及负极片的各个接合面软化，借以使正极片、固态电解质层及负极片形成高致密的接合。

请参阅图1、2所示，其为本发明固态电池的制作方法的第一实施例，包括下列步骤：

步骤a.提供一电池单元1，电池单元1包括依序层叠的一正极片11、一固态电解质层12及一负极片13，正极片11包括一第一集电层111及分别结合于第一集电层111两侧面的正极材料层112、113，负极片13包括一第二集电层131及分别结合于第二集电层131两侧面的负极材料层132、133。

步骤b.将电池单元1定位于一压力舱2内的一附加电路板3上，且压力舱2内具有流体介质4。

步骤c.提供20~200℃的温度控制与5~100000PSI的介质4压力控制，以使正极片11、固态电解质层12及负极片13的各个接合面软化后接合。

在上述步骤a中，该正极片11的成型方式是先将接着剂与溶剂互相混合之后，再将锂盐与导离子高分子加入到前述溶剂中互相混合，最后将导电活物、正极材料粉末加入到前述溶剂中互相混合均匀，最后得到一正极浆料，正极浆料在涂布机上通过涂布刮刀以分别涂布于一第一集电层111的两侧面上，并在烤箱烘干之后，分别于第一集电层111的两侧面上成型一正极材料层112、113。该固态电解质层12的成型方式是先将接着剂与溶剂互相混合，再将锂盐与导离子高分子加入到前述溶剂中互相混合，最后将陶瓷材料粉末加入到前述溶剂中互相混合均匀，最后得到一电解质浆料，电解质浆料在涂布机上通过涂布刮刀以分别涂布于一基材的两侧面上，并在烤箱烘干之后成型。

而该负极片13的成型方式是先将接着剂与溶剂互相混合，再将锂盐与导离子高分子加入到前述溶剂中互相混合，最后将导电活物、正极材料粉末加入到前述溶剂中互相混合均匀，最后得一负极浆料，负极浆料在涂布机上通过涂布刮刀以分别涂布于一第二集电层131的两侧面上，并在烤箱烘干之后，分别于第二集电层131的两侧面上成型一负极材料层132、133。实施时，该负极片13也可为单一的锂金属片，或是在第二集电层131的两侧面上分别贴合一锂金属片而成。

上述正极材料层112、113、负极材料层132、133及电解质浆料内含有聚环氧乙烷(Polyethylene oxide, PEO )成分。实施时，正极材料层112、113、负极材料层132、133及电解质浆料也可内含有聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral, PVB)或聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)之类的成分，借以使正极材料层112、113、负极材料层132、133及成型后的电解质浆料在特定的温度及压力之下能软化成胶状。

在上述步骤b中，该附加电路板3先设置于压力舱2内，之后该电池单元1再定位于附加电路板3上。实施时，电池单元1也可先定位于附加电路板3上，再将电池单元1及附加电路板3同时置入压力舱2之中。而压力舱2内的流体介质4为情性气体，实施时，压力舱2内的流体介质4也可为其他不会与电池单元1产生化学反应的气体或液体。

在上述步骤c中，例如：正极材料层112、113、负极材料层132、133或电解质浆料内含有聚环氧乙烷 (Polyethylene oxide, PEO )成分，其是在温度40~50℃、压力2000~10000PSI，且流体介质4为水的压力舱2内制作；正极材料层112、113、负极材料层132、133或电解质浆料内含有聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral, PVB) 成分，其是在温度70~90℃、压力2500~15000PSI，且流体介质4为水的压力舱2内制作；而若是正极材料层112、113、负极材料层132、133或电解质浆料内含有聚偏二氟乙烯 (Polyvinylidene fluoride,PVDF)成分，其是在温度80~120℃、压力25000~60000PSI，且流体介质4为油的压力舱2内制作。借此，由于正极材料层112、113、负极材料层132、133或成型后的电解质浆料在控温及控压之下软化，即可使正极片11、固态电解质层12及负极片13的各个接合面在软化后紧密接合。

另外，由于电池单元1定位于附加电路板3上，且压力舱2内的流体介质4以全方位的压力均匀外压，也即施压于电池单元1外周缘的各方向压力P1=P2=P3=P4=P5=P6，因此，在施压过程中，电池单元1不会移动，且不会让正极材料层112、113、负极材料层132、133或电解质浆料因挤出而变形。

请参阅图3所示，其为本发明固态电池的制作方法的第二实施例，其与第一实施例不同之处在于：该电池单元1为一第一固态电解质层121、正极片11、固态电解质层12及负极片13依序层叠之后，再经卷绕而成，第一固态电解质层121与固态电解质层12、12’具有相同的材料组成。而如图4所示，其为本发明固态电池的制作方法的第三实施例，其与第一实施例不同之处在于：电池单元1还层叠至少一第一电池单元1’，第一电池单元1’与电池单元1同样具有依序层叠的正极片11’、固态电解质层12’及负极片13’，且第一电池单元1’与电池单元1之间夹置一第二固态电解质层122。其中，第二固态电解质层122与固态电解质层12、12’具有相同的材料组成，而第二固态电解质层122夹置于电池单元1的正极片11与第一电池单元1’的负极片13’之间，或夹置于电池单元1的负极片13与第一电池单元1’的正极片11’之间。

请参阅图5所示，其为本发明固态电池的制作方法的第四实施例，其中，单一堆栈或卷绕的电池单元1真空密封于一真空封装袋5内，借以避免流体介质4在制程中触碰电池单元1，以确保产品质量。实施时，相互层叠的电池单元1及至少一第一电池单元1’也可真空密封于真空封装袋5内。而如图6所示，为本发明的第五实施例，真空封装袋5也可同时真空密封电池单元1及附加电路板3，同样可以有效达到均压及阻隔的效果。

因此，本发明具有以下的优点：

1、本发明是利用物质加压软化特性，对压力舱内的电池单元施以温度、压力控制，而使电池单元的各层贴合，因此，不但可以有效消除正极片、固态电解质层、负极片之间及其本身空乏区，形成高致密结合层以降低接触接口阻抗，且可以执行高层数贴合的电池单元制作，从而提高电池单元的能量密度。

2、本发明是以全方位压力由电池单元的外周缘对电池单元的各层加压，以使各层的各个接合面软化后接合，因此，能让电池材料在软化之后不会由四周侧边挤出，而能有效维持在固定的空间位置，以确保其性能。

3、本发明是以层叠目标层数后，一步骤完成全方位压力压合，因此，可以确保其性能及稳定性。

综上所述，根据上文所公开的内容，本发明确可达到预期的目的，提供一种不但能有效提高电池单元的能量密度，且可确保其导电性能的固态电池的制作方法，极具产业上利用的价值，依法提出发明专利申请。

Claims (10)

1.一种固态电池的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤a.提供一电池单元，该电池单元包括依序层叠的一正极片、一固态电解质层及一负极片，该正极片包括一第一集电层及分别结合于该第一集电层两侧面的正极材料层；

步骤b.将该电池单元定位于一压力舱内的一附加电路板上，该压力舱内具有流体介质；以及

步骤c.提供20~200℃的温度控制与5~100000PSI的介质压力控制，以使该正极片、该固态电解质层及该负极片的各个接合面软化后接合。

2.如权利要求1所述的固态电池的制作方法，其特征在于，该负极片包括一第二集电层及分别结合于该第二集电层两侧面的一负极材料层；而该介质为液体或气体。

3.如权利要求1或2所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤d，将该电池单元真空密封于一真空封装袋内。

4.如权利要求1或2所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤e，将该附加电路板及该电池单元真空密封于一真空封装袋内。

5.如权利要求1或2所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤f，层叠一第一固态电解质层与该电池单元，并同时卷绕该第一固态电解质层与该电池单元。

6.如权利要求5所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤g，将该卷绕的该第一固态电解质层与该电池单元真空密封于一真空封装袋内。

7.如权利要求5所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤h，将该附加电路板及该卷绕的该第一固态电解质层与该电池单元真空密封于一真空封装袋内。

8.如权利要求1或2所述的固态电池的制作方法，其特征在于，步骤a的该电池单元还层叠至少一第一电池单元，该第一电池单元与该电池单元之间还夹置一第二固态电解质层。

9.如权利要求8所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤i，将层叠的该电池单元、该第二固态电解质层及该至少一第一电池单元真空密封于一真空封装袋内。

10.如权利要求8所述的固态电池的制作方法，其特征在于，其还包括一步骤j，将该附加电路板及层叠的该电池单元、该第二固态电解质层及该至少一第一电池单元真空密封于一真空封装袋内。