CN109216753A - 固态锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态锂离子电池，可以自发电。固态锂离子电池包括相互平行设置的第一电极层和第二电极层，位于第一电极层朝向第二电极层一面上的电解质层，位于电解质层背离第一电极层一面上的摩擦层，摩擦层上设有导通孔，且导通孔内填充有电解质层，其中：第一电极层和第二电极层之间通过弹性元件连接，第一电极层的形成材料为锂掺杂金属的氧化物；其中：当弹性元件未被施加第一外力时，摩擦层和第二电极层不接触；当弹性元件被施加第一外力时，摩擦层和第二电极层振动并发生相互摩擦和分离，第一电极层和第二电极层将摩擦层和第二电极层摩擦产生的电流输出。

Description

固态锂离子电池

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种固态锂离子电池。

背景技术

随着电子工业的发展，目前很多微电子设备迫切需要一种体积小、重量轻、比容量高的微型致密电源。以无机化合物材料作为电解质的全固态薄膜锂离子电池可以很好的满足这一要求。

全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池发展的最新领域，其厚度可达毫米甚至微米级。全固态薄膜锂离子电池包括阳极薄膜、电解质薄膜、阳极薄膜和基片。

全固态薄膜锂离子电池除了有重量轻、容量密度高、寿命长、抗震、耐冲撞和体积小的优点外，还有以下优点：(1)可根据产品的要求设计成任何形状；(2)可组装在不同材料的基底上；(3)可用标准的沉积条件实现薄膜电池的制备；(4)工作温度窗口宽(-15-150℃)；(5)没有固液接触界面，减小了固液界面电阻；(6)安全系数高，电池工作时没有气体产物。

但是，目前有上述众多优点的锂离子电池只能通过外界电源进行充电，充电较不方便。

发明内容

本发明提供了一种固态锂离子电池，可以自发电，具有较好的使用性。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种固态锂离子电池，包括：

相互平行设置的第一电极层和第二电极层，位于所述第一电极层朝向所述第二电极层一面上的电解质层，位于所述电解质层背离所述第一电极层一面上的摩擦层，所述摩擦层上设有导通孔，且所述导通孔内填充有所述电解质层，其中：所述第一电极层和所述第二电极层之间通过弹性元件连接，所述第一电极层的形成材料为锂掺杂金属的氧化物；

当所述弹性元件未被施加第一外力时，所述摩擦层和所述第二电极层不接触；当所述弹性元件被施加第一外力时，所述摩擦层和所述第二电极层振动并发生相互接触分离，所述第一电极层和所述第二电极层将所述摩擦层和所述第二电极层摩擦产生的电流输出。

本发明提供的固态锂离子电池，在第一外力以及弹性元件的驱动下使得摩擦层和第二电极层振动并发生接触分离，当摩擦层和第二电极层接触时，第二电极层与摩擦层摩擦产生电荷，当第二电极层与摩擦层分离的时候，第一电极层和第二电极层会产生感应电流并输出。

可见，本发明提供的固态锂离子电池，可以自发电，具有较好的使用性。

在一些可选的实施方式中，固态锂离子电池还包括：

整流器，其中：所述整流器的第一交流输入端与所述第一电极层连接、所述整流器的第二交流输入端与所述第二电极层连接。第一电极层和第二电极层输出的交流电流可以通过整流器变为直流电流后给外接负载充电。

在一些可选的实施方式中，所述放电回路还包括：降压器，所述降压器用于接收所述第一电极层和所述第二电极层输出的电流，并将接收的电流所产生的高电压变为低电压输送给所述整流器。

在一些可选的实施方式中，所述弹性元件被施加第二外力时，所述摩擦层和所述第二电极层接触，所述第一电极层和所述第二电极层用于为所述固态锂离子电池充电。

在一些可选的实施方式中，所述第二外力大于所述第一外力，所述第二外力施加于所述第一电极层或所述第二电极层上的压强大于10千克/平方厘米。

在一些可选的实施方式中，所述弹性元件为弹簧。

在一些可选的实施方式中，固态锂离子电池还包括：位于所述第一电极层背离所述第二电极层一侧的第一绝缘层，位于所述第二电极层背离所述第一电极层一侧的第二绝缘层，所述弹性元件的一端与所述第一绝缘层固定连接，所述弹性元件的另一端与所述第二绝缘层固定连接。第一绝缘和第二绝缘层起到了固定弹性元件以及支撑第一电极层和第二电极层的作用。

在一些可选的实施方式中，固态锂离子电池还包括：位于所述第一绝缘层和所述第一电极层之间、且覆盖所述第一电极层的第一集流体层，位于所述第二绝缘层和所述第二电极层之间、且覆盖所述第二电极层的第二集流体层。第一集流体层和第二集流体层的设置可以使得摩擦层和第二电极层摩擦产生的电荷汇集起来以便形成较大的电流对外输出。

在一些可选的实施方式中，所述第一集流体层为铝箔层，和/或，

所述第二集流体层为钛片层。

在一些可选的实施方式中，所述第一电极层为锰酸锂层，和/或，

所述第二电极层为二氧化钛纳米管层。

在一些可选的实施方式中，所述摩擦层的形状为圆环形。当然摩擦层的具体形状不限于圆环形，可以为回型等，或者外围为长方形，中间为圆形导通孔，或者外围为圆形，中间为长方形导通孔。

在一些可选的实施方式中，所述摩擦层的材料为聚合物绝缘材料。

附图说明

图1为本发明实施例提供的固态锂离子电池的第一种状态示意图；

图2为本发明实施例提供的固态锂离子电池的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的固态锂离子电池的第三种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的固态锂离子电池内的固态锂离子电池自发电的部分的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的固态锂离子电池内的固态锂离子电池自发电的部分输出的电压随时间的变化曲线图；

图6为本发明实施例提供的固态锂离子电池内的固态锂离子电池自发电的部分输出的电流随时间的变化曲线图；

图7为本发明实施例提供的固态锂离子电池在外接可变电阻时电流和功率随时间的变化曲线图；

图8为本发明实施例提供的固态锂离子电池在不同压力下的充放电电容量随电压的变化图；

图9为本发明实施例提供的固态锂离子电池内的固态锂离子电池自发电的部分给不同容量电容充电时，电压随时间的变化曲线图；

图10为本发明实施例提供的固态锂离子电池内的不同容量的电容给固态锂离子电池自发电的部分充电时，充电电压和充电电流随时间的变化曲线图。

附图标记：

11-第一电极层 12-第二电极层

2-电解质层 3-摩擦层

31-导通孔 4-弹性元件

5-整流器 61-第一开关

62-第二开关 7-降压器

81-第一绝缘层 82-第二绝缘层

91-第一集流体层 92-第二集流体层

10-电容器

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种固态锂离子电池，包括：

相互平行设置的第一电极层11和第二电极层12，位于第一电极层11朝向第二电极层12一面上的电解质层2，位于电解质层2背离第一电极层11一面上的摩擦层3，摩擦层3上设有导通孔31，且导通孔31内填充有电解质层2，其中：第一电极层11和第二电极层12之间通过弹性元件4连接，第一电极层11的形成材料为锂掺杂金属的氧化物；

当弹性元件未被施加第一外力时，摩擦层3和第二电极层12不接触；当弹性元件被施加第一外力时，摩擦层3和第二电极层12振动并发生接触分离，第一电极层和第二电极层将摩擦层3和第二电极层12产生的电流输出。

本发明提供的固态锂离子电池，在第一外力以及弹性元件4的驱动下使得摩擦层3和第二电极层12振动并发生接触分离，当摩擦层3和第二电极层12接触时，第二电极层12与摩擦层3摩擦产生电荷，当第二电极层12与摩擦层3分离的时候，第一电极层11和第二电极层12会产生感应电流并输出。这样固态锂离子电池就可以给其它装置供电。

可见，本发明提供的固态锂离子电池，可以自发电，具有较好的使用性。

上述第一外力按照设定频率施加，这样可以使得摩擦层3和第二电极层12在接触和分离之间转换。

进一步的，如图2和图3所示，本发明提供的固态锂离子电池还包括：

整流器5，其中：整流器5的第一交流输入端与第一电极层11连接、整流器5的第二交流输入端与第二电极层12连接。整流器5的第一直流输出端可以与作为负载的电容器10的第一金属电极层连接、整流器5的第二直流输出端与电容器10的第二金属电极层连接以形成放电回路，放电回路上设有第一开关61；其中：当第一开关61关闭时，电容器10用于存储第一电极层11和第二电极层12输出的电流。第一电极层11和第二电极层12输出的交流电流可以通过整流器变为直流电流后给电容器10充电，电容器10可以存储摩擦层和第二电极层摩擦产生的电荷。本发明提供的固态锂离子电池所接的负载可以是电容器10，也可以是其他用电器，这里不做限定。

如图2、图3以及图4所示，固态锂离子电池包括：降压器7，降压器7用于接收第一电极层11和第二电极层12输出的电流，并将接收的电流所产生的高电压变为低电压输送给整流器5。降压器7的设置便于将输出电流产生的高压电转为低压电给电容器10充电，减少电容器10的损伤。

一种可选的实施方式中，弹性元件4被施加第二外力时，摩擦层3和第二电极层12接触，第一电极层11和第二电极层12用于为固态锂离子电池充电。如图4所示，第一电极层11与电容器10的第一金属电极层连接，第二电极层12与电容器10的第二金属电极层连接以形成充电回路，且充电回路上设有第二开关62，其中：当第一开关61打开，第二开关62关闭，弹性元件4被施加第二外力时，摩擦层3和第二电极层12接触，电容器10内的电流输出给第一电极层11和第二电极层12，此时电容器10给第一电极层11和第二电极层12充电，本发明的固态锂离子电池可以作为传统的电池使用。上述第二外力为持续施加的外力，可以使得摩擦层3和第二电极层一直保持紧密接触状态。

可选的，第二外力大于第一外力，第二外力施加于第一电极层11或第二电极层12上的压强大于10千克/平方厘米。

如图1、图2、图3以及图4所示，第一电极层11为正极，第二电极层12为负极，第二电极层12和摩擦层3摩擦时可以产生电荷。上述电解质层2为固态电解质层2。

本发明提供的固态锂离子电池，当自发电时，正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的二氧化钛，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到负极的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当给电容或其他部件充电时，嵌在负极中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

如图5和图6所示，当在第一外力作用下，摩擦层和第二电极层的振动频率为28.3赫兹时，第一电极层和第二电极层的输出电压为188V，第一电极层和第二电极层的输出电流为33.5微安。

如图7所示，随着外加阻抗的增加，连接电路上的电流不断下降，输出功率先增加然后也不断下降，当加载电阻为7兆欧时，固态锂离子电池的最大输出功率为7.44兆瓦，输出电流为32.6微安。

如图8所示，随着压力的不断增大，第一电极层和第二电极层充放电容量越大。如图9所示，在分别给940微法，1410微法，3300微法，6600微法的电容器10从0-3V充电的过程中，随着电容器10容量的增加，充电时间也随之增加，4个电容器10的充电时间分别为20分钟，31分钟，124分钟，150分钟。

将940微法，1410微法，3300微法，6600微法的电容器10均充电至3V后给该电容器10充电5分钟，然后与电容器10断开连接，用0.01毫安的电流恒流放电至0.9V。如图10所示，当受压下的第一电极层和第二电极层与不同容量的电容器10连接后，电压均瞬间升高至3V，随着时间的增加，与大容量电容器10相连的第一电极层和第二电极层的电压下降缓慢，5分钟后与940微法，1410微法，3300微法，6600微法电容器10相连的第一电极层和第二电极层所产生的电压分别为1.28V，1.42V，1.77V，2V。因而，当电容器10停止供电后，与940微法，1410微法，3300微法，6600微法的电容器10相连的第一电极层和第二电极层分别用24秒，60秒，180秒，240s放电至0.9V。因此我们认为在电容器10可以给第一电极层和第二电极层充电，且电容器10容量越大，在相同时间内第一电极层和第二电极层得到的容量越大。

综上，本发明提供的固态锂离子电池，在使用时，关闭第一开关，在第一外力的驱动下使得摩擦层3和第二电极层12产生振动发生接触分离，摩擦层3和第二电极层12接触，第二电极层12与摩擦层3摩擦产生电荷，当第二电极层12与摩擦层3分离的时候，第一电极层11和第二电极层12会产生感应电流，感应电流通过整流器5后会将交变电压转化直流电压给电容器10充电，这样电容器10就可以将第一电极层和第二电极层产生的电压存储起来，当第一电极层11和第二电极层12需要充电时，可以将第一开关61关闭，打开第二开关62，在第二外力驱动下，摩擦层3和第二电极层12接触，电容器10内的电荷会通过充电回路给第一电极层11和第二电极层12充电。可见，本发明提供的固态锂离子电池，即可以自发电，又可以自存储电和自充电。

上述弹性元件4可以为弹性材料形状的弹性块或弹性柱，也可以为弹簧。

为了便于固定弹性元件4以及支撑第一电极层11和第二电极层12，固态锂离子电池还包括：位于第一电极层11背离第二电极层12一侧的第一绝缘层81，位于第二电极层12背离第一电极层11一侧的第二绝缘层82，弹性元件4的一端与第一绝缘层81固定连接，弹性元件4的另一端与第二绝缘层82固定连接。弹性元件4的具体数量本领域技术人员可以根据实际需要设定。

进一步的，固态锂离子电池还包括：位于第一绝缘层81和第一电极层11之间、且覆盖第一电极层11的第一集流体层91，位于第二绝缘层82和第二电极层12之间、且覆盖第二电极层12的第二集流体层92。第一集流体层91和第二集流体层92的设置可以使得摩擦层3和第二电极层12摩擦产生的电荷汇集起来以便形成较大的电流对外输出。

上述第一集流体和第二集流体的具体材料可以有多种，可选的，第一集流体层91为铝箔层，和/或，

第二集流体层92为钛片层。上述描述具体的含义为：第一集流层为铝箔层，第二集流层可以为除钛片层以外的其它材料层，例如：泡沫镍、不锈钢网材料等，或者第一集流层为除铝箔层以外的其它材料层，例如：泡沫镍、不锈钢网材料等，第二集流层为铝箔层，或者第一集流层为铝箔层，第二集流层为钛片层。

同理上述第一电极层11和第二电极层12的具体材料也可以有多种，可选的，第一电极层11为锰酸锂层，和/或，

第二电极层12为二氧化钛纳米管层。上述描述具体的含义为：第一电极层11为锰酸锂层，第二集流层可以为除二氧化钛纳米管以外的其它材料层，或者第一电极层11为除锰酸锂层以为的其它材料层，例如：磷酸铁锂离，钴酸锂等，第二电极层12为二氧化钛纳米管层，或者第一电极层11为锰酸锂层，第二电极层12为二氧化钛纳米管层。

上述摩擦层3的具体形状可以有多种，可选的，摩擦层3的形状为圆环形。当然摩擦层3的具体形状不限于圆环形，可以为回型等，或者外围为长方形，中间为圆形导通孔31，或者外围为圆形，中间为长方形导通孔31。

上述摩擦层3的材料可以为聚合物绝缘材料，例如尼龙膜或聚全氟乙丙烯材料等。

上述第一开关61的具体设置位置以及个数可以有多种：

一种可选的实施方式中，第一开关61的个数为多个，其中降压器7的第一接入端与第一电极层11之间设有一第一开关61，降压器7的第二接入端和第二电极层12之间设有一第一开关61，第一直流输出端与电容器10的第一金属电极层之间设有一第一开关61，第二直流输出端与电容器的第二金属电极层之间设有一第一开关61。这样的设置可以减少电流的流失。

另一种可选的实施方式中，第一开关61的个数为多个，其中降压器7的第一接入端与第一电极层11之间设有一第一开关61，第一直流输出端与电容器10的第一金属电极层之间设有一第一开关61。

再一种可选的实施方式中，第一开关61的个数为多个，降压器7的第二接入端和第二电极层12之间设有一第一开关61，第二直流输出端与电容器的第二金属电极层之间设有一第一开关61。

又一种可选的实施方式中，第一开关61的个数为多个，其中降压器7的第一接入端与第一电极层11之间设有一第一开关61，第二直流输出端与电容器的第二金属电极层之间设有一第一开关61。

同理上述第二开关62的个数和位置也可以有多种：

一种可选的实施方式中，第二开关62的个数为多个，其中，电容器10的第一金属电极层和第一电极层11之间设有一第二开关62，电容器10的第二金属电极层和第二电极层12之间设有一第二开关62。这样的设置可以减少电流的流失。

另一种可选的实施方式中，第二开关62的个数为一个，设置于电容器10的第一金属电极层和第一电极层11之间或电容器10的第二金属电极层和第二电极层12之间。

下面将列举几种具体结构的固态锂离子电池：

实施例一

固态锂离子电池自发电的部分是一个60毫米×60毫米×30毫米的长方体结构，具有四根0.5毫米×10毫米×26毫米的弹簧作支撑，上下分别用具有三块60毫米×60毫米×2毫米的亚克力板为底(即第一绝缘层81和第二绝缘层82)，并在上下底板的中心处分别粘上30毫米的圆形亚克力板；圆形亚克力板分别附有直径为30毫米，长度为3.3微米的TiO₂纳米管作为负极和锰酸锂作为正极，在15～20MPa的压力下压制成型电解质膜，电解质膜厚度为210纳米。另外在电解质膜上有一个内径为15毫米外径为30毫米的聚全氟乙丙烯环形膜用作摩擦层3。

当振动频率为28.3赫兹时，第一电极层和第二电极层的输出电压为188伏，电流为33.5微安。

实施例二

固态锂离子电池自发电的部分是一个60毫米×60毫米×30毫米的长方体结构，具有四根0.5毫米×10毫米×26毫米的弹簧作支撑，上下分别用具有三块60毫米×60毫米×2毫米的亚克力板为底(即第一绝缘层81和第二绝缘层82)，并在上下底板的中心处分别粘上30毫米的圆形亚克力板；圆形亚克力板分别附有直径为30毫米，长度为3.3微米的TiO₂纳米管作为负极和锰酸锂作为正极，在15～20MPa的压力下压制成型电解质膜，电解质膜厚度为210纳米。另外在电解质膜上有一个内径为20毫米外径为30毫米的聚全氟乙丙烯环形膜用作摩擦层3。

当振动频率为28.3赫兹时，第一电极层和第二电极层的输出电压为133伏，电流为32微安。

实施例三

固态锂离子电池自发电的部分是一个60毫米×60毫米×30毫米的长方体结构，具有四根0.5毫米×10毫米×26毫米的弹簧作支撑，上下分别用具有三块60毫米×60毫米×2毫米的亚克力板为底(即第一绝缘层81和第二绝缘层82)，并在上下底板的中心处分别粘上30毫米的圆形亚克力板；圆形亚克力板分别附有直径为30毫米，长度为3.3微米的TiO₂纳米管作为负极和锰酸锂作为正极，在15～20MPa的压力下压制成型电解质膜，电解质膜厚度为210纳米。另外在电解质膜上有一个内径为10毫米外径为30毫米的聚全氟乙丙烯环形膜用作摩擦层3。

当振动频率为28.3赫兹时，第一电极层和第二电极层的输出电压为97伏，电流为24微安。

实施例四

固态锂离子电池自发电的部分是一个60毫米×60毫米×30毫米的长方体结构，具有四根0.5毫米×10毫米×26毫米的弹簧作支撑，上下分别用具有三块60毫米×60毫米×2毫米的亚克力板为底(即第一绝缘层81和第二绝缘层82)，并在上下底板的中心处分别粘上30毫米的圆形亚克力板；圆形亚克力板分别附有直径为30毫米，长度为3.3微米的TiO₂纳米管作为负极和锰酸锂作为正极，在15～20MPa的压力下压制成型电解质膜，电解质膜厚度为210纳米。另外在电解质膜上有一个内径为15毫米外径为30毫米的尼龙环形膜用作摩擦层3。

当振动频率为28.3赫兹时，第一电极层和第二电极层的输出电压为44伏，电流为15微安。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种固态锂离子电池，其特征在于，包括：

相互平行设置的第一电极层和第二电极层，位于所述第一电极层朝向所述第二电极层一面上的电解质层，位于所述电解质层背离所述第一电极层一面上的摩擦层，所述摩擦层上设有导通孔，且所述导通孔内填充有所述电解质层，其中：所述第一电极层和所述第二电极层之间通过弹性元件连接，所述第一电极层的形成材料为锂掺杂金属的氧化物；其中：

当所述弹性元件未被施加第一外力时，所述摩擦层和所述第二电极层不接触；当所述弹性元件被施加第一外力时，所述摩擦层和所述第二电极层振动并发生接触分离，所述第一电极层和所述第二电极层将所述摩擦层和所述第二电极层摩擦产生的电流输出。

2.根据权利要求1所述的固态锂离子电池，其特征在于，还包括：

整流器，其中：所述整流器的第一交流输入端与所述第一电极层连接、所述整流器的第二交流输入端与所述第二电极层连接。

3.根据权利要求2所述的固态锂离子电池，其特征在于，还包括：降压器，所述降压器用于接收所述第一电极层和所述第二电极层输出的电流，并将接收的电流所产生的高电压变为低电压输送给所述整流器。

4.根据权利要求1所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述弹性元件被施加第二外力时，所述摩擦层和所述第二电极层接触，所述第一电极层和所述第二电极层用于为所述固态锂离子电池充电。

5.根据权利要求4所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述第二外力大于所述第一外力，所述第二外力施加于所述第一电极层或所述第二电极层上的压强大于10千克/平方厘米。

6.根据权利要求1-5任一项中所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述弹性元件为弹簧。

7.根据权利要求1-6任一项中所述的固态锂离子电池，其特征在于，还包括：位于所述第一电极层背离所述第二电极层一侧的第一绝缘层，位于所述第二电极层背离所述第一电极层一侧的第二绝缘层，所述弹性元件的一端与所述第一绝缘层固定连接，所述弹性元件的另一端与所述第二绝缘层固定连接。

8.根据权利要求7所述的固态锂离子电池，其特征在于，还包括：位于所述第一绝缘层和所述第一电极层之间、且覆盖所述第一电极层的第一集流体层，位于所述第二绝缘层和所述第二电极层之间、且覆盖所述第二电极层的第二集流体层。

9.根据权利要求8所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述第一集流体层为铝箔层，和/或，

所述第二集流体层为钛片层。

10.根据权利要求1-9任一项中所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述第一电极层为锰酸锂层，和/或，

所述第二电极层为二氧化钛纳米管层。

11.根据权利要求1-10任一项中所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述摩擦层的形状为圆环形。

12.根据权利要求1-11任一项中所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述摩擦层的材料为聚合物绝缘材料。