CN109904528A - 一种新型薄膜锂电池及其制备方法 - Google Patents

一种新型薄膜锂电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型薄膜锂电池及其制备方法,所述新型薄膜锂电池包括:基板、锂电电芯和保护层;锂电电芯包括:在基板上方自下而上依次设置的黏着层、下层集电体、负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;黏着层和下层集电体的左方具有相较于负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层的左方的突出部分;负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层均覆盖下一层的上方和右方;保护层包括:Al2O3薄膜和SiO2薄膜;所述保护层的两侧分别设置有露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。本发明的新型薄膜锂电池总厚度可达1300nm。

Description

一种新型薄膜锂电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域,尤其是一种新型薄膜锂电池及其制备方法。
背景技术
由于便携式设备的急速发展和中国中央政府对于电动汽车的普及政策等因素,提高锂离子电池的安全性和电容量已成为国家性的重要课题。另一方面,在超小型可穿戴设备等中,需要轻薄的大电容电池。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对上述存在的问题,提供一种新型薄膜锂电池,使用了玻璃基板,并在其上形成薄膜锂电池,薄膜锂电池的总厚度可达1300nm。
本发明采用的技术方案如下:
一种新型薄膜锂电池,包括:基板、锂电电芯和保护层;所述锂电电芯包括:在基板上方自下而上依次设置的黏着层、下层集电体、负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;黏着层和下层集电体的左方具有相较于负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层的左方的突出部分;负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层均覆盖下一层的上方和右方;所述保护层包括:Al2O3薄膜和SiO2薄膜;Al2O3薄膜覆盖锂电电芯,SiO2薄膜覆盖Al2O3薄膜,或者SiO2薄膜覆盖锂电电芯,Al2O3薄膜覆盖SiO2薄膜;所述保护层的两侧分别设置有露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。
一种新型薄膜锂电池的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,在基板上制备锂电电芯:(1)采用第一金属掩模板,在玻璃基板上制得黏着层,然后在黏着层上制得下层集电体;(2)采用第二金属掩模板,在下层集电体上制得负电极;(3)采用第三金属掩模板,依次在负电极上制得固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;第一金属掩模板、第二金属掩模板和第三金属掩模板具有不同的开口形状;第一金属掩模板的开口相比第二金属掩模板具有一个向左的突出口;第三金属掩模板的开口右侧相比第二金属掩模板更大;
步骤2,在锂电电芯上制备保护层:(1)在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜覆盖锂电电芯;(2)在Al2O3薄膜上沉积一层SiO2薄膜覆盖Al2O3薄膜;
步骤3,在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。
一种新型薄膜锂电池的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,在基板上制备锂电电芯:(1)采用第一金属掩模板,在玻璃基板上制得黏着层,然后在黏着层上制得下层集电体;(2)采用第二金属掩模板,在下层集电体上制得负电极;(3)采用第三金属掩模板,依次在负电极上制得固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;第一金属掩模板、第二金属掩模板和第三金属掩模板具有不同的开口形状;第一金属掩模板的开口相比第二金属掩模板具有一个向左的突出口;第三金属掩模板的开口右侧相比第二金属掩模板更大;
步骤2,在锂电电芯上制备保护层:(1)在锂电电芯上溅射一层SiO2薄膜覆盖锂电电芯;(2)在SiO2薄膜上沉积一层Al2O3薄膜覆盖SiO2薄膜;
步骤3,在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。
进一步,所述基板为玻璃基板。
进一步,步骤1中,
所述黏着层为通过在玻璃基板上溅射氮化钛制得;
所述下层集电体为通过在黏着层上溅射铝薄膜或铜薄膜制得;
所述负电极为通过在下层集电体上溅射锂薄膜制得;
所述固体电解质层为通过在负电极上溅射锂磷氧氮制得;
所述正电极为通过在固体电解质层上溅射氧化钴锂制得;
所述上层集电体为通过在正电极上溅射铝薄膜或铜薄膜制得;
所述阻隔层为通过在上层集电体上溅射氮化钛制得。
进一步,步骤2中,所述在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜的方法为:以Al或者Al2O3作为反应物,采用氧气反应性溅射工艺,在25℃~180℃的温度环境下,在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜。
进一步,所述在Al2O3薄膜上沉积一层SiO2薄膜的方法为:以(CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3和O2为反应物,采用PECVD工艺,在25℃~180℃的温度环境下,在Al2O3薄膜上沉积一层SiO2薄膜。
进一步,步骤3中,所述在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体和上层集电体的电极板端口的方法为:
(1)在保护层两侧相应位置涂层光敏电阻,
(2)涂光刻胶覆盖保护层和光敏电阻;
(3)通过紫外线曝光,在光敏电阻的位置形成光刻胶开口;
(4)在光刻胶开口处采用干法刻蚀工艺除去Al2O3薄膜和SiO2薄膜,漏出下层集电体和上层集电体;
(5)去除剩余的光刻胶。
进一步,所述基板的厚度为:0.1mm~0.3mm;
所述黏着层的厚度为:50nm~100nm;
所述下层集电体的厚度为:200nm~500nm;
所述负电极的厚度为:100nm~1000nm;
所述固体电解质层的厚度为:200nm~500nm;
所述负电极的厚度为:100nm~1000nm;
所述上层集电体的厚度为:200nm~500nm;
所述阻隔层的厚度为:50nm~100nm。
所述Al2O3薄膜的厚度为:100nm~200nm;
所述SiO2薄膜的厚度为:300nm~2000nm。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明的新型薄膜锂电池总厚度可达1300nm,并且用Al2O3薄膜和SiO2薄膜组成的保护层覆盖锂电电芯,使得锂电电芯与空气隔绝以防止其发生氧化并避免了外部冲击。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的新型薄膜锂电池的结构示意图。
图2为本发明的锂电电芯的制作流程图。
图3为本发明的保护层的制作流程图。
图4为本发明的电极板端口的制作流程图。
图5为本发明的另一实施例中新型薄膜锂电池的结构示意图。
附图说明:1-基板,2-黏着层,3-下层集电体,4-负电极,5-固体电解质层,6-正电极,7-上层集电体,8-阻隔层,9-Al2O3薄膜,10-SiO2薄膜,11-电极板端口。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明,即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种新型薄膜锂电池,如图1所示,包括:基板1、锂电电芯和保护层;所述锂电电芯包括:在基板1上方自下而上依次设置的黏着层2、下层集电体3、负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8;黏着层2和下层集电体3的左方具有相较于负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8的左方的突出部分;负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8均覆盖下一层的上方和右方;所述保护层包括:Al2O3薄膜9和SiO2薄膜10;Al2O3薄膜9覆盖锂电电芯,SiO2薄膜10覆盖Al2O3薄膜9;所述保护层的两侧分别设置有露出下层集电体3和上层集电体7的电极板端口11。
上述的新型薄膜锂电池的制备方法,如图1所示,包括如下步骤:
步骤1,在基板1上制备锂电电芯:
(1)采用第一金属掩模板,在玻璃基板1上制得黏着层2,然后在黏着层2上制得下层集电体3;
(2)采用第二金属掩模板,在下层集电体3上制得负电极4;
(3)采用第三金属掩模板,依次在负电极4上制得固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8;
本实施例中,第一金属掩模板、第二金属掩模板和第三金属掩模板具有不同的开口形状;第一金属掩模板的开口相比第二金属掩模板具有一个向左的突出口,使得黏着层2和下层集电体3的左方具有相较于负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8的左方的突出部分;第三金属掩模板的开口右侧相比第二金属掩模板更大,使得负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8均覆盖下一层的上方和右方;其中,
所述基板1为玻璃(Glass)基板1;所述基板1的厚度为:0.1mm~0.3mm;
所述黏着层2为通过在玻璃基板1上溅射氮化钛(TiN)制得;所述黏着层2的厚度为:50nm~100nm;
所述下层集电体3为通过在黏着层2上溅射铝(Al)薄膜或铜(Cu)薄膜制得;所述下层集电体3的厚度为:200nm~500nm;
所述负电极4为通过在下层集电体3上溅射锂(Li)薄膜制得;所述负电极4的厚度为:100nm~1000nm;
所述固体电解质层5为通过在负电极4上溅射锂磷氧氮(LiPON)制得;所述固体电解质层5的厚度为:200nm~500nm;
所述正电极6为通过在固体电解质层5上溅射氧化钴锂(LiCoO2)制得;所述正电极6的厚度为:100nm~1000nm;
所述上层集电体7为通过在正电极6上溅射铝(Al)薄膜或铜(Cu)薄膜制得;所述上层集电体7的厚度为:200nm~500nm;
所述阻隔层8为通过在上层集电体7上溅射氮化钛(TiN)制得;所述阻隔层8的厚度为:50nm~100nm。
步骤2,如图3所示,在锂电电芯上制备保护层:
(1)在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜9覆盖锂电电芯,具体为:以Al或者Al2O3作为反应物,采用氧气反应性溅射工艺,在25℃~180℃的温度环境下,在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜9;所述Al2O3薄膜9的厚度为:100nm~200nm;
(2)在Al2O3薄膜9上沉积一层SiO2薄膜10覆盖Al2O3薄膜9,具体为:以(CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3和O2为反应物,采用PECVD(等离子体辅助气相沉积法)工艺,在25℃~180℃的温度环境下,在Al2O3薄膜9上沉积一层SiO2薄膜10;所述SiO2薄膜10的厚度为:300nm~2000nm。
上述Al2O3薄膜9和SiO2薄膜10的制备可以在同一反应室里完成。通过上述过程,本发明的新型薄膜锂电池总厚度可达1300nm,并且本发明用Al2O3薄膜9和SiO2薄膜10组成的保护层覆盖锂电电芯,使得锂电电芯与空气隔绝以防止其发生氧化并避免了外部冲击。并且由于Al2O3薄膜9是在低温条件下形成的,因此其绝缘性优于SiO2薄膜10,同时,本发明同时制备Al2O3薄膜和SiO2薄膜10,从而更大化地提升了保护层的绝缘强度。
步骤3,在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体3和上层集电体7的电极板端;如图4所示,具体的过程为:
(1)在保护层两侧相应位置涂层光敏电阻,
(2)涂光刻胶覆盖保护层和光敏电阻;
(3)通过紫外线曝光,在光敏电阻的位置形成光刻胶开口;
(4)在光刻胶开口处采用干法刻蚀工艺除去Al2O3薄膜9和SiO2薄膜10,漏出下层集电体3和上层集电体7;
(5)去除剩余的光刻胶。
通过上述过程形成的电极板端口11露出下层集电体3和上层集电体7,用于内部锂电电芯的电流输出。
实施例2
与实施例1不同的是,本实施例提供的一种新型薄膜锂电池,保护层的制备顺序不同,具体地,如图5所示,包括:基板1、锂电电芯和保护层;所述锂电电芯包括:在基板1上方自下而上依次设置的黏着层2、下层集电体3、负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8;黏着层2和下层集电体3的左方具有相较于负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8的左方的突出部分;负电极4、固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8均覆盖下一层的上方和右方;所述保护层包括:Al2O3薄膜9和SiO2薄膜10;SiO2薄膜9覆盖锂电电芯,Al2O3薄膜10覆盖SiO2薄膜9;所述保护层的两侧分别设置有露出下层集电体3和上层集电体7的电极板端口11。
上述新型薄膜锂电池的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,在基板上制备锂电电芯:(1)采用第一金属掩模板,在玻璃基板1上制得黏着层2,然后在黏着层2上制得下层集电体3;
(2)采用第二金属掩模板,在下层集电体3上制得负电极4;
(3)采用第三金属掩模板,依次在负电极4上制得固体电解质层5、正电极6、上层集电体7和阻隔层8;
步骤2,在锂电电芯上制备保护层:(1)在锂电电芯上溅射一层SiO2薄膜10覆盖锂电电芯;(2)在SiO2薄膜10上沉积一层Al2O3薄膜9覆盖SiO2薄膜10;
步骤3,在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体3和上层集电体7的电极板端口。
其余过程与实施例1一致。
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,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型薄膜锂电池,其特征在于,包括:基板、锂电电芯和保护层;所述锂电电芯包括:在基板上方自下而上依次设置的黏着层、下层集电体、负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;黏着层和下层集电体的左方具有相较于负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层的左方的突出部分;负电极、固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层均覆盖下一层的上方和右方;所述保护层包括:Al2O3薄膜和SiO2薄膜;Al2O3薄膜覆盖锂电电芯,SiO2薄膜覆盖Al2O3薄膜,或者SiO2薄膜覆盖锂电电芯,Al2O3薄膜覆盖SiO2薄膜;所述保护层的两侧分别设置有露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。
2.一种新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,在基板上制备锂电电芯:(1)采用第一金属掩模板,在玻璃基板上制得黏着层,然后在黏着层上制得下层集电体;(2)采用第二金属掩模板,在下层集电体上制得负电极;(3)采用第三金属掩模板,依次在负电极上制得固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;第一金属掩模板、第二金属掩模板和第三金属掩模板具有不同的开口形状;第一金属掩模板的开口相比第二金属掩模板具有一个向左的突出口;第三金属掩模板的开口右侧相比第二金属掩模板更大;
步骤2,在锂电电芯上制备保护层:(1)在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜覆盖锂电电芯;(2)在Al2O3薄膜上沉积一层SiO2薄膜覆盖Al2O3薄膜;
步骤3,在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。
3.一种新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,在基板上制备锂电电芯:(1)采用第一金属掩模板,在玻璃基板上制得黏着层,然后在黏着层上制得下层集电体;(2)采用第二金属掩模板,在下层集电体上制得负电极;(3)采用第三金属掩模板,依次在负电极上制得固体电解质层、正电极、上层集电体和阻隔层;第一金属掩模板、第二金属掩模板和第三金属掩模板具有不同的开口形状;第一金属掩模板的开口相比第二金属掩模板具有一个向左的突出口;第三金属掩模板的开口右侧相比第二金属掩模板更大;
步骤2,在锂电电芯上制备保护层:(1)在锂电电芯上溅射一层SiO2薄膜覆盖锂电电芯;(2)在SiO2薄膜上沉积一层Al2O3薄膜覆盖SiO2薄膜;
步骤3,在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体和上层集电体的电极板端口。
4.如权利要求2或3所述的新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,
所述基板为玻璃基板;
所述黏着层为通过在玻璃基板上溅射氮化钛制得;
所述下层集电体为通过在黏着层上溅射铝薄膜或铜薄膜制得;
所述负电极为通过在下层集电体上溅射锂薄膜制得;
所述固体电解质层为通过在负电极上溅射锂磷氧氮制得;
所述正电极为通过在固体电解质层上溅射氧化钴锂制得;
所述上层集电体为通过在正电极上溅射铝薄膜或铜薄膜制得;
所述阻隔层为通过在上层集电体上溅射氮化钛制得。
5.如权利要求2或3所述的新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜的方法为:以Al或者Al2O3作为反应物,采用氧气反应性溅射工艺,在25℃~180℃的温度环境下,在锂电电芯上溅射一层Al2O3薄膜。
6.如权利要求2或3所述的新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,所述在Al2O3薄膜上沉积一层SiO2薄膜的方法为:以(CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3和O2为反应物,采用PECVD工艺,在25℃~180℃的温度环境下,在Al2O3薄膜上沉积一层SiO2薄膜。
7.如权利要求2或3所述的新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,步骤3中,所述在保护层上蚀刻,分别露出下层集电体和上层集电体的电极板端口的方法为:
(1)在保护层两侧相应位置涂层光敏电阻,
(2)涂光刻胶覆盖保护层和光敏电阻;
(3)通过紫外线曝光,在光敏电阻的位置形成光刻胶开口;
(4)在光刻胶开口处采用干法刻蚀工艺除去Al2O3薄膜和SiO2薄膜,漏出下层集电体和上层集电体;
(5)去除剩余的光刻胶。
8.如权利要求2或3所述的新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,
所述基板的厚度为:0.1mm~0.3mm;
所述黏着层的厚度为:50nm~100nm;
所述下层集电体的厚度为:200nm~500nm;
所述负电极的厚度为:100nm~1000nm;
所述固体电解质层的厚度为:200nm~500nm;
所述负电极的厚度为:100nm~1000nm;
所述上层集电体的厚度为:200nm~500nm;
所述阻隔层的厚度为:50nm~100nm。
9.如权利要求2或3所述的新型薄膜锂电池的制备方法,其特征在于,
所述Al2O3薄膜的厚度为:100nm~200nm;
所述SiO2薄膜的厚度为:300nm~2000nm。
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