CN109904462A - 一种内串联薄膜全固态电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内串联薄膜全固态电池，其包含：基体；位于所述基体第一侧并依次设置的第一正极层、第一电解质层和第一负极层；位于所述基体第二侧并依次设置的第二正极层、第二电解质层、第二负极层；其中，所述的第二正极层自所述基体的第二侧延伸至所述基体的第一侧，并与所述的第一负极层部分重叠连接。本发明采用内串联工艺将基体两侧薄膜全固态电池串联封装在一个整体中，使其工作电压比在基体单侧制备的电池提升一倍；基体两侧薄膜全固态电池共用一个基体，减少了体积和重量，提高了能量密度；制备过程中基体两侧薄膜全固态电池同步进行，与现有工艺吻合度高，便于技术更新及商业化推广。
Description
技术领域
本发明涉及固态电池技术领域，具体涉及一种内串联薄膜全固态电池。
背景技术
现有的储能技术中，锂离子电池凭借能量密度高、工作电压高、使用寿命长以及无记忆效应等优势，已经广泛应用于消费类电子产品。但传统的锂离子电池采用易燃的液态有机电解液，存在安全隐患，发展遇到了瓶颈。采用固态电解质替代有机液态电解液，新型的全固态锂电池不仅安全性好，而且在提高比能量、比功率密度以及循环性能方面也有更大的空间，有望成为下一代锂离子电池。在现有全固态锂电池中全固态薄膜锂电池(TFB)的制备工艺成熟，电池性能优异，已率先实现了商品化生产。
虽然有以上优点，但是目前薄膜全固态锂电池单位面积能量密度低，限制了其进一步的应用。锂电池的能量密度和平台放电电压呈线性关联，提高电压可有效提高电池能量密度。从电压角度考虑，锂离子电池各个电池体系拥有固定的充放电电压平台，基本局限于材料的平台电压和电解质的电压工作窗口，一般不超过4.5V。因此，为了提高电池单位面积能量密度、满足高压应用场所，对电池进行内串联是有效的解决路径。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种高电压、小体积、适合工业化生产的内串联薄膜全固态电池。
为了达到上述目的，本发明提供了一种内串联薄膜全固态电池，其包含：基体；位于所述基体第一侧并依次设置的第一正极层、第一电解质层和第一负极层；位于所述基体第二侧并依次设置的第二正极层、第二电解质层、第二负极层；其中，所述的第二正极层自所述基体的第二侧延伸至所述基体的第一侧，并与所述的第一负极层部分重叠连接。
较佳地，所述的基体的材料选择云母、碳管、玻璃、Si、SiO2、MgO、SrTiO3、(LaAlO3)0.3-(SrAl0.5Ta0.5O3)0.7、NdGaO3或Gd3Gd5O12中的一种或两种以上。优选云母。
较佳地，所述的第一电解质层或第二电解质层的厚度为0.1μm～10μm，材料选择LiPON、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3OCl、Li1+xMxTi2-x(PO4)3或Li7La3Zr2O12中的一种或两种以上。优选地，采用磁控溅射法制备2μm厚的LiPON电解质薄膜。
较佳地，所述的第一负极层为第一负极活性物质层；所述的第二正极层包含第二正极活性物质层和第二正极集流体层；其中，所述第二正极集流体层沿所述基体的第二侧面延伸至所述基体的第一侧面，并与所述的第一负极层部分重叠连接。
较佳地，所述的第一正极层包含：第一正极活性物质层和第一正极集流体层。
较佳地，所述的第二负极层包含：第二负极活性物质层和负极集流体层。
较佳地，所述的第一正极活性物质层或第二正极活性物质层的厚度为5nm～50μm，材料选择V2O5、LiCoO2、LiNi1-x-yMnxCoyO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoMnO4、Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2或LiNi0.80Co0.15Al0.05O2中的一种或两种以上。优选地，采用磁控溅射法制备5μm厚的LiCoO2第一正极活性物质层或第二正极活性物质层。
较佳地，所述的第一正极集流体层、第二正极集流体层或负极集流体层的厚度为50nm～1000nm，材料选择Pt、Al、Cu、Pt/Cr或Pt/Ti中的一种或两种以上。优选地，正极集流体采用Pt/Ti合金，负极集流体采用Cu金属。
较佳地，所述的第一负极活性物质层或第二负极活性物质层的厚度为10nm～10μm，材料选择金属锂、LiAl、Si37C63、SiCu、Li2SiS3、Li4Ti5O12、TiO2、SnO2和SnOCo3O4中的一种或两种以上。优选地，采用真空热蒸镀制备5μm厚的金属锂第一负极活性物质层或第二负极活性物质层。
本发明的内串联薄膜全固态电池制备方法包含：
(1)对第一正极集流体层和第二正极集流体层进行掩模设计，采用磁控溅射方法在所述基体的两侧制备第一正极集流体层和第二正极集流体层；
(2)在所述第一正极集流体层的基础上制备第一正极活性物质层，在所述第二正极集流体层的基础上制备第二正极活性物质层；制备方法为磁控溅射法、脉冲激光沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
(3)在所述第一正极活性物质层的基础上制备第一电解质层，在所述第二正极活性物质层的基础上制备第二电解质层；制备方法为磁控溅射法、脉冲激光沉积、离子束溅镀法、金属氧化物化学气相沉积或原子层沉积；
(4)在所述第一电解质层上制备第一负极活性物质层，在所述第二电解质层的基础上制备第二负极活性物质层；制备方法为真空热蒸镀、电沉积、磁控溅射法、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶法、原子层沉积；
(5)在所述基体的第二侧制备负极集流体层，使其与所述的第二负极活性物质层连接；
(6)对全固态电池进行封装。
本发明可具有以下有益效果：
(1)本发明采用内串联工艺将基体两侧薄膜全固态电池串联封装在一个整体中，使其工作电压比在基体单侧制备的电池提升一倍；
(2)基体两侧薄膜全固态电池共用一个基体，减少了体积和重量，提高了能量密度；
(3)制备过程中基体两侧薄膜全固态电池同步进行，与现有工艺吻合度高，便于技术更新及商业化推广。
附图说明
图1为实施例1的内串联薄膜全固态电池的结构示意图。
图2a和图2b为图1所示电池的正极集流体的结构示意图，其中，图2a为俯视图，图2b为截面图。
图3为实施例1制备的内串联薄膜全固态电池放电曲线图。
图4为比较例1制备的薄膜全固态电池放电曲线图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
本发明中，“内串联”是指位于同一基体两侧的两个全固态薄膜锂单体电池通过掩模设计实现其串联连接。
固态电池的正极层，可包含正极集流体和由活性物质组成的正极薄膜(活性物质层)所形成；或者通过对材料的选择，使正极层仅包含正极薄膜，但应保证正极薄膜可同时实现集流体的功能。负极层的设计方法与正极层类似。因此，当本发明的电池内未设计有集流体时，两个电池直接串联的形式可以是一个电池的正极薄膜和另一个电池的负极薄膜直接连接。其它情况下，可通过一个电池的正极集流体和另一个电池的负极集流体连接、或一个电池的正极薄膜和另一个电池的负极集流体连接、或一个电池的正极集流体和另一个电池的负极薄膜连接。
实施例1
制备电压为7.4V的内串联薄膜全固态电池。该全固态薄膜电池内部含有二个3.7V的全固态薄膜单体锂电池，通过将这二个全固态薄膜单体电池串联，提升内串联薄膜全固态电池电压到7.4V。
如图1所示，实施例1的内串联薄膜全固态电池包含：基体10；位于所述基体10第一侧并依次设置的第一正极集流体层21、第一正极活性物质层31、第一电解质层41和第一负极活性物质层51；位于所述基体10第二侧并依次设置的第二正极集流体层22、第二正极活性物质层32、第二电解质层42和第二负极活性物质52；以及位于所述基体10的第二侧面并与第二负极活性物质层52连接的负极集流体层60。其中，所述的第二正极集流体层22具有一定宽度，其沿着所述基体10的第二侧面延伸至所述基体10的第一侧面，并与所述的第一负极活性物质层51部分重叠连接(图1的Ⅰ部)。电池外侧具有封装层70。第一正极集流体层21为电池的正极，负极集流体层60为电池的负极。
电池采用柔性云母作为基体10、第一正极集流体层21和第二正极集流体层22作为电池的正极集流体，均选用Pt/Ti合金；选择Cu金属作为负极集流体；第一正极活性物质层31和第二正极活性物质层32为电池的正极薄膜，均选用LiCoO2；第一电解质层41和第二电解质层42为电池的电解质薄膜，均选用LiPON；第一负极活性物质层51和第二负极活性物质层52为电池的负极薄膜，选择金属锂。制备步骤如下：
(1)取一清洗烘干后的基体10，采用磁控溅射方法在基体10两侧，同步沉积Pt/Ti合金作为正极集流体，通过集流体掩模的设计，使正极集流体形成如图2a和图2b所示的形状；
(2)取LiCoO2作为靶材，加热基体10到300℃，采用磁控溅射方法，在基体10两侧正极集流体上同步沉积正极薄膜，然后700℃温度下快速退火，获得性能优良的晶态LiCoO2薄膜，薄膜厚度为5μm；
(3)在氮气气氛中，在基体10两侧的LiCoO2薄膜上，通过磁控溅射方法沉积厚度为2μm的LiPON电解质薄膜；
(4)通过磁控溅射方法在金属锂薄膜外侧制备Cu金属负极集流体薄膜；
在真空腔室内，真空蒸镀加热金属锂，在LiPON电解质薄膜层上沉积金属锂作为负极薄膜，薄膜厚为5μm；负极掩模必须进行设计，确保同正极集流体充分连接，保持良好的导电性能。
(5)将薄膜全固态电池采用聚合物封装。
实施例1制备的内串联薄膜全固态电池放电曲线图如图3所示。内串联薄膜全固态电池的电压为7.4V。该全固态薄膜锂电池内部含有二个3.7V的全固态薄膜单体锂电池，通过将这二个全固态薄膜单体电池串联，提升内串联薄膜全固态电池电压到7.4V。
采用该技术方案的优势体现在：基体10两侧为同步对称进行操作，可以沿用现有设备，基体10两侧对称制备的薄膜层性能一致性好；采用内串联工艺将基体10两侧薄膜全固态电池串联封装在一个整体中，使其工作电压提升一倍；基体10两侧薄膜全固态电池共用一个基体10，减少了体积和重量，提高了能量密度。
比较例1
在基体的一侧，采用逐层磁控溅射的方法，先用直流溅射电源，制备Ti/Pt合金集流体，然后用直流/射频混合溅射电源将正极材料LiCoO2沉积到集流体表面，之后在退火腔内进行700℃的高温退火，形成薄膜正极；
用射频电源，将修饰层沉积到薄膜正极表面，再将LiPON电解质薄膜沉积其表面，最后在LiPON薄膜表面沉积一层修饰层；
制备负极薄膜：采用真空蒸镀的方法，将金属锂蒸发沉积到LiPON固体电解质薄膜表面；
用UV胶滴在金属锂表面，然后盖上云母片，最后用紫外灯照射使胶固化，形成不透气的封装层。
比较例1制备的薄膜全固态电池放电曲线图如图4所示，其电压为3.7V。
综上所述，本发明的内串联全固态薄膜电池，包括在一块基体两侧对称制备正极薄膜、固态电解质薄膜、负极薄膜、负极集流体，以及通过正极集流体和另一侧的负极的连接体，以及封装。本发明形成的串联电池，比基体单侧制备的电池工作电压提升一倍；基体两侧薄膜全固态电池共用一个基体，减少了体积和重量，提高了能量密度；制备过程中基体两侧薄膜全固态电池同步进行，与现有工艺吻合度高，便于技术更新及商业化推广。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种内串联薄膜全固态电池，其特征在于，包含：
基体；
位于所述基体第一侧并依次设置的第一正极层、第一电解质层和第一负极层；
位于所述基体第二侧并依次设置的第二正极层、第二电解质层、第二负极层；
其中，
所述的第二正极层自所述基体的第二侧延伸至所述基体的第一侧，并与所述的第一负极层部分重叠连接。
2.根据权利要求1所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的基体的材料选择云母、碳管、玻璃、Si、SiO2、MgO、SrTiO3、(LaAlO3)0.3-(SrAl0.5Ta0.5O3)0.7、NdGaO3或Gd3Gd5O12中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第一电解质层或第二电解质层的厚度为0.1μm～10μm，材料选择LiPON、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3OCl、Li1+xMxTi2-x(PO4)3或Li7La3Zr2O12中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第一负极层为第一负极活性物质层；所述的第二正极层包含第二正极活性物质层和第二正极集流体层；其中，
所述第二正极集流体层沿所述基体的第二侧面延伸至所述基体的第一侧面，并与所述的第一负极层部分重叠连接。
5.根据权利要求4所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第一正极层包含：第一正极活性物质层和第一正极集流体层。
6.根据权利要求5所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第二负极层包含：第二负极活性物质层和负极集流体层。
7.根据权利要求5所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第一正极活性物质层或第二正极活性物质层的厚度为5nm～50μm，材料选择V2O5、LiCoO2、LiNi1-x-yMnxCoyO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoMnO4、Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2或LiNi0.80Co0.15Al0.05O2中的一种或两种以上。
8.根据权利要求6所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第一正极集流体层、第二正极集流体层或负极集流体层的厚度为50nm～1000nm，材料选择Pt、Al、Cu、Pt/Cr或Pt/Ti中的一种或两种以上。
9.根据权利要求6所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，所述的第一负极活性物质层或第二负极活性物质层的厚度为10nm～10μm，材料选择金属锂、LiAl、Si37C63、SiCu、Li2SiS3、Li4Ti5O12、TiO2、SnO2和SnOCo3O4中的一种或两种以上。
10.权利要求6所述的内串联薄膜全固态电池，其特征在于，该电池的制备方法包含：
(1)采用磁控溅射方法在所述基体的两侧制备第一正极集流体层和第二正极集流体层；
(2)在所述第一正极集流体层上制备第一正极活性物质层，在所述第二正极集流体层上制备第二正极活性物质层；制备方法为磁控溅射法、脉冲激光沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
(3)在所述第一正极活性物质层上制备第一电解质层，在所述第二正极活性物质层上制备第二电解质层；制备方法为磁控溅射法、脉冲激光沉积、离子束溅镀法、金属氧化物化学气相沉积或原子层沉积；
(4)在所述第一电解质层上制备第一负极活性物质层，在所述第二电解质层上制备第二负极活性物质层；制备方法为真空热蒸镀、电沉积、磁控溅射法、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶法或原子层沉积；
(5)在所述基体的第二侧制备负极集流体层，使其与所述的第二负极活性物质层连接；
(6)对所述的全固态电池进行封装。
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