CN108808058A - 一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片 - Google Patents

一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片 Download PDF

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Abstract

本发明是一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，该电池片包括一个绝缘的基板(1)，其特征在于：在基板(1)的表面上划分区域，在每一个区域内制备图案化结构的单体电池，每一个单体电池是在基板(1)的表面上依次制备粘附层、集流体层(2)、正极极耳(3)、负极极耳(4)、正极活性物质层(5)、转接极耳(6)、电解质层(7)、锂负极层(8)，每个单体电池以串联方式连接后进行封装，得到高电压固态薄膜锂电池片。该电池片能够有效提高电源最大输出电压，该电池片设计方式具有制备简单、可靠性高和体积能量密度高等优势，便于规模化加工和生产。

Description

一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片
技术领域
本发明是一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，属于微型电源领域。
背景技术
在本发明相关的微纳米机器人动力电源等领域，对其体积微型化和高输出电压有特殊需求。虽然微型电容装置具有较高的输出电压，但由于电荷容量太低，且输出电压逐渐降低，不能持续稳定供电，也无法满足以上实际应用。传统锂离子电池单体工作电压通常为～4V，需要进行串联成组以提高输出电压。由于其基底为导电金属箔，电池内部串联叠加增压后易于发生短路，且其内部的液态电解质电化学窗口较低，高压条件下易燃，安全性差。如果将多个锂离子电池单独封装后进行增压，过多的封装结构会导致电池组体积过大，难以满足对电源的微型化需求。固态薄膜电池作为一种新型微型电源，进行串联后，可在不显著增加电池组体积的条件下获得较高的输出电压，因此固态薄膜电池的串联成组技术具有很高的使用价值。
关于固态薄膜电池串联技术目前只有少量相关报道，在U.S.No.5338625专利中通过将正负极集流体引到电池侧边缘，在多片固态薄膜电池堆叠后，采用侧边电极连接技术将多片薄膜电池进行串并联。该电池组连接方式相应的工艺过程简单，但当电池厚度较小时侧边电极连接难度较高，且电极连接可靠性偏低。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其目的是使该电池片具有输出电压高、安全性好和循环寿命长的优点，可应用于穿戴设备、医疗电子、微机械和感应器等领域。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片包括一个绝缘的基板(1)，其特征在于：在基板(1)的表面上划分区域，在每一个区域内制备图案化结构的单体电池，每一个单体电池是在基板(1)的表面上依次制备粘附层、集流体层(2)、正极极耳(3)、负极极耳(4)、正极活性物质层(5)、转接极耳(6)、电解质层(7)、锂负极层(8)，每个单体电池以串联方式连接后进行封装，得到高电压固态薄膜锂电池片。
所述单体电池中每层厚试不超过20微米。
封装材料采用漆层、光敏胶或密封胶。
所述基板(1)为绝缘材质或表面进行绝缘处理的半导体材质。
所述基板(1)为聚酰亚胺、云母、玻璃、氧化物陶瓷片。
正极活性物质层(5)采用钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂或五氧化二钒。
电解质层(7)为氮掺杂的磷酸锂构成的薄膜。
每一个单体电池引出充电路径，以实现利用低电压电源为每个单体电池充电。
本发明技术方案中所述单体电池它的内部组成结构是以薄片材料为基底，以钴酸锂等材料为正极，以氮掺杂的磷酸锂等为薄膜电解质，金属锂等材料为负极。利用真空物理镀膜技术将多个单体电池的集流体，正极层，电解质层，负极层依次制备，再进行封装保护。通过掩板镀膜方式在一片基板上沉积制备多个串联连接的单体电池，从而大幅度有效提高电源最大输出电压。考虑到金属锂与Pt，Au等材质极耳与金属锂直接接触会因合金化反应而膨胀脱落，所以在负极极耳处沉积Cu，Ni薄膜作为极耳或用其两端分别连接金属锂负极和Pt，Au等材质极耳，起到转接作用，避免直接接触反应，同时每个单体电池正负极可引出充电路径，实现利用低电压电源为每个单体电池充电的目的。由该方式制备的薄膜电池组具备连接稳定性，可靠性和输出电压高的特性，电源为薄片状，大幅降低了传统块体电池串联电池组体积偏大的弊端，同时一片基板上平整的电源表面也便于进行隔水隔氧封装。
该电池片设计方式具有制备简单、可靠性高和体积能量密度高等优势，便于规模化加工和生产。
附图说明
图1为本发明电池片中单体电池的结构示意图
图2为本发明电池片中多个单体电池的组合结构示意图
图3为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的集流体和极耳的示意图
图4为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的正极活性物质层的示意图
图5为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的转接极耳的示意图
图6为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的电解质层的示意图
图7为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的锂负极层的示意图
图8为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的封装保护层的示意图
图9为本发明实施例1中在一片基板上制备两个单体电池串联电池组的结构示意图
图10为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的集流体和极耳的示意图
图11为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的正极活性物质层的示意图
图12为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的转接极耳的示意图
图13为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的电解质层的示意图
图14为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的锂负极层的示意图
图15为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的封装保护层的示意图
图16为本发明实施例2中在一片基板上制备四个单体电池串联电池组的结构示意图
图17为为本发明实施例1、2中双单体固态薄膜电池和四个单体电池串联电池组充放电测试数据图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详述：
参见附图1～2所示，该种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片包括一个绝缘的基板(1)，在基板(1)的表面上划分区域，在每一个区域内制备图案化结构的单体电池，每一个单体电池是在基板(1)的表面上依次制备粘附层、集流体层(2)、正极极耳(3)、负极极耳(4)、正极活性物质层(5)、转接极耳(6)、电解质层(7)、锂负极层(8)，每个单体电池以串联方式连接后进行封装，得到高电压固态薄膜锂电池片。
所述单体电池中每层厚试不超过20微米。
实施例1为在一片基板上制备两个单体电池串联电池组，制备过程如图3～9所示，制备过程的步骤如下：
步骤一、利用真空磁控溅射镀膜方式在清洗干净的玻璃基板1上图案化沉积Ti粘附层和Pt导电层作为正极集流体2、正极极耳3、负极极耳4和单体电池充电线路9，制备工艺为氩气气氛，工作气压0.5Pa，溅射功率100W，镀膜厚度Ti层20nm，Pt层100nm；
步骤二、利用真空磁控溅射镀膜方式在Ti/Pt集流体2区域图案化沉积LiCoO2层作为正极活性物质层5，制备工艺为氩气氧气混合气氛，工作气压1.0Pa，溅射功率100W，厚度8μm，在氧气气氛中700℃退火1h，使正极LiCoO2层5晶化；
步骤三、利用真空磁控溅射镀膜方式在负极极耳4处沉积Ni转接极耳6，作为锂负极层(8)与负极极耳4的导电过渡区，制备工艺为氩气气氛，工作气压0.5Pa，溅射功率130W，厚度3μm；
步骤四、利用真空磁控溅射镀膜方式在正极区域之上图案化沉积LiPON层作为电解质层7，制备工艺为氩气氮气混合气氛，工作气压0.6Pa，溅射功率120W，厚度2μm；
步骤五、利用真空热蒸发镀膜方式在电解质层7之上图案化沉积Li层作为锂负极层(8)，制备工艺为真空条件下，样品与蒸发料距离15㎝，功率1200W热蒸发，蒸发厚度2μm；
步骤六、采用紫外光敏胶涂覆在电池表面，进行紫外光照射固化，固化时间30s，以此作为封装层10。
图9中的电池组的正极极耳3、负极极耳4连接外电路进行供电，三个单体电池充电线路9可利用低压直流电源对左侧单体、右侧单体电池充电，两个单体电池串联作为高压直流电源工作。
由此制备的电池组的充放电测试数据如图17所示，电池电压平台在8V左右，复合LiCoO2/Li电池串联后的电化学性质。
实施例2为在一片基板上制备四个单体电池串联电池组，制备过程如图10～16所示，制备过程的步骤如下：
步骤一、利用真空磁控溅射镀膜方式在清洗干净的陶瓷基板1上图案化沉积Ti粘附层和Pt导电层作为正极集流体2、正极极耳3、负极极耳4和单体电池充电线路9，制备工艺为氩气气氛，工作气压1.0Pa，溅射功率120W，镀膜厚度Ti层15nm，Pt层150nm；
步骤二、利用真空磁控溅射镀膜方式在Ti/Pt集流体2区域图案化沉积LiCoO2层作为正极活性物质层5，制备工艺为氩气氧气混合气氛，工作气压1.0Pa，溅射功率100W，厚度8μm，在氧气气氛中750℃退火0.5h，使正极LiCoO2层5晶化；
步骤三、利用真空磁控溅射镀膜方式在负极极耳4处沉积Ni转接极耳6，作为锂负极层(8)与负极极耳4的导电过渡区，制备工艺为氩气气氛，工作气压0.5Pa，溅射功率130W，厚度3μm；
步骤四、利用真空磁控溅射镀膜方式在正极区域之上图案化沉积LiPON层作为电解质层7，制备工艺为氩气氮气混合气氛，工作气压1.0Pa，溅射功率100W，厚度2.5μm；
步骤五、利用真空热蒸发镀膜方式在电解质层7之上图案化沉积Li层作为锂负极层(8)，制备工艺为真空条件下，样品与蒸发料距离15㎝，功率1200W热蒸发，蒸发厚度2μm；
步骤六、采用热蒸发方法在电池表面沉积聚对二甲苯致密阻隔层，以此作为封装层10,阻隔外界水氧等物质对电池影响。
图16中的电池组的正极极耳3、负极极耳4连接外电路进行供电，三个单体电池充电线路9可利用低压直流电源对左侧单体、右侧单体电池充电，两个单体电池串联作为高压直流电源工作。
由此制备的电池组的充放电测试数据如图17所示，电池电压平台在16V左右，复合LiCoO2/Li电池串联后的电化学性质。

Claims (8)

1.一种具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，该电池片包括一个绝缘的基板(1)，其特征在于：在基板(1)的表面上划分区域，在每一个区域内制备图案化结构的单体电池，每一个单体电池是在基板(1)的表面上依次制备粘附层、集流体层(2)、正极极耳(3)、负极极耳(4)、正极活性物质层(5)、转接极耳(6)、电解质层(7)、锂负极层(8)，每个单体电池以串联方式连接后进行封装，得到高电压固态薄膜锂电池片。
2.根据权利要求1所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：所述单体电池中每层厚试不超过20微米。
3.根据权利要求1所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：封装材料采用漆层、光敏胶或密封胶。
4.根据权利要求1所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：所述基板(1)为绝缘材质或表面进行绝缘处理的半导体材质。
5.根据权利要求4所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：所述基板(1)为聚酰亚胺、云母、玻璃、氧化物陶瓷片。
6.根据权利要求1所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：正极活性物质层(5)采用钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂或五氧化二钒。
7.根据权利要求1所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：电解质层(7)为氮掺杂的磷酸锂构成的薄膜。
8.根据权利要求1所述的具有图案化结构的高电压固态薄膜锂电池片，其特征在于：每一个单体电池引出充电路径，以实现利用低电压电源为每个单体电池充电。
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