CN112786969B - 锂电池结构及其极层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种锂电池结构及其极层结构，锂电池结构包含两电池单元，且两电池单元以其负极材料层面对面来设置，且负极集电层通过具有穿孔的导电基板以及绝缘层所构成，通过绝缘层覆盖于其中一表面，并沿着穿孔延伸至另一表面的穿孔的开口周缘，避免锂离子集中地沉积在导电基板的开口附近，配合两负极材料层面对面的设置，有效控制锂突触形成的位置，提高电池整体的安全性，并延长电池的使用寿命。

Description

锂电池结构及其极层结构
技术领域
本发明是有关于一种锂电池，特别是一种两同极性层相对应(face to face)设置的锂电池结构，以控制锂突触生长的区域，以提升电池使用的安全性。
背景技术
对于现有技术的锂电池而言，最难以解决的问题就是当电池内部电化学反应的过程中，因为负极极板的集电层(通常是铜箔)在趋近于锂相对电位0伏特的状态下，在集电层的表面上会不断地进行锂离子的沉积反应，而导致大量的锂突触形成。锂突触的形成不但损耗了电池内部锂离子的量，而使电容量在循环使用后逐渐地降低，更因为锂突触的树枝状结晶结构，容易造成其尖刺状的末端穿刺隔离层的情形，一旦隔离层的结构发生破损，即会导致电池发生内部短路或甚至发生爆炸的情形。
针对上述瓶颈，较为常见的解决方法之一为在电解质中使用添加剂，根据不同的添加剂，以达到降低锂离子发生沉积反应的机率。例如，降低锂离子形成钝性层(SEIlayer)反应的活化能，以使更多的锂离子能趋向形成钝性层而不进行沉积反应，或提供特定官能基以生成锂中间物，以干扰锂离子的沉积反应。另外，亦可套管使用特定的负极活性材料，例如：锂钛氧化物(LTO)，以避免负极活性材料在充电的过程中处于锂相对电位0伏特的状态，则可避免锂离子在负极极板进行沉积反应。上述的各方法虽然会对锂离子的沉积反应造成一些阻碍，不过影响的程度仍有限，且以电解质中加入添加剂的方法来说，因为添加剂的使用通常会伴随着一些副反应的发生，虽然可减少锂离子进行沉积反应，然而其中部分的副反应会导致电池内部电化学反应的效率降低。另外，当负极极板的活性材料改采用锂钛氧化物时，因为锂钛氧化物的电位比锂高出约1.5伏特，在使用现有的正极材料时，电池放电电压将减少至约2.4V，在锂钛氧化物的理论电容与石墨相当的前提下，采用锂钛氧化物的电池所提供的能量密度反而会被牺牲。
有鉴于上述，本发明遂针对上述现有技术的缺失，提出一种具有两同极性层相对应设置的的崭新锂电池结构，以在维持高能量密度的前提下，并克服上述的该等问题。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种锂电池结构，其中两同极性活性材料层是相对应设置，以将锂突触局限于此两相对应的同极性活性材料层间，避免锂突触刺穿隔离层。
本发明的另一目的在提供一种锂电池结构，其具有两个相对应设置的导电基板，该导电基板具有多个设置有活性材料的导电区与覆盖有绝缘层的表面绝缘区，以及多个充满电解质的穿孔。
本发明的再一目的在提供一种锂电池结构，通过两负极活性材料层面对面设置，配合绝缘层的形成的位置，除了可控制锂突触生长的位置，以降低锂突触形成在穿孔内并朝向隔离层方向生长，有效减少锂突触刺穿隔离层的机率，同时，由于将锂突触生长的位置大多控制于两同极性活性材料层相对的位置上，可有效地利用锂突触作为补充锂源，使得电池内部锂离子的耗损量将可降低，进一步可增加电池循环使用次数。
本发明的另一目的在提供一种锂电池结构，其中两同极性活性材料层之间设置有一离子导引层，此离子导引层可由可含吸离子传递材料的基材与离子传递材料所组成，基材内有颗粒状结构或纤维状结构材料，以及由该些颗粒状结构或纤维状结构材料所建构出高表面积孔洞，该些高表面积的孔洞通过电解质对孔洞结构表面的依附性均匀连续导引至此些同极性活性材料层，提升离子交换的效率，并且锂金属可以在离子导引层的孔洞内进行沉积与溶解，同时沉积过程中锂金属还可以依附颗粒状结构或纤维状结构形成保护锂金属表面的钝性层，减少可逆容量的损失。
为达上述的目的，本发明提供一种锂电池结构，其包含第一与第二电池单元，每一电池单元包含有第一集电层、第一活性材料层、第二活性材料层以及第二集电层,其中第一集电层包含有具有多个穿孔的导电基板以及绝缘层所构成，绝缘层设置于导电基板第一表面，并沿着穿孔的侧壁面覆盖，延伸至第二表面的穿孔的开口周缘，第二表面上剩余未受到绝缘层覆盖的区域则供第一活性材料层设置，再依序设置第二活性材料层以及第二集电层，且其中第一与第二电池单元以第一活性材料层面对面的设置。因此，通过第一活性材料层面对面的设置，将锂突触局限于其间生长，控制锂突触生长的位置；再者配合绝缘层延伸至开口周缘，以更进一步降低锂突触形成在孔洞内且朝向隔离层方向继续生长的机率，解决因锂突触的形成而导致电池的内部短路、安全性降低的问题。
另一方面，离子导引层设置于第一与第二电池单元的第一活性材料层之间，并延伸至导电基板的穿孔，不仅可以导引电解质至第一活性材料层来提升离子交换的效率；同时更可进一步成为支撑固态电解质界面在锂金属沉积与溶解的结构材料，使锂金属沉积与溶解过程减少持续生成固态电解质界面，进而减少可逆容量的损失。
底下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1为根据本发明的一实施例的锂电池结构的剖面图。
图2A为根据本发明的一实施例的锂电池结构的第一集电层的立体图。
图2B为图2A的A-A方向的剖面图。
图2C为根据本发明的一实施例的极层结构的剖面图。
图3为根据本发明的另一实施例的锂电池结构的剖面图。
图4为图3的锂电池结构的封装体的局部放大图。
图5为根据本发明的又一实施例的锂电池结构的剖面图。
图6为根据本发明的又一实施例的锂电池结构的剖面图。
图7为根据本发明的又一实施例的锂电池结构的剖面图。
图8为根据本发明的一实施例的锂电池结构的第一集电层的底面示意图。
附图标记
10a 第一电池单元
10b 第二电池单元
12 封装结构
121 第一封装体
1211 改质硅胶层
1212 改质硅胶层
1213 硅胶层
122 第二封装体
123 第三封装体
13 离子导引层
14 固态电解质离子导引层
15 外封装体
20 极层结构
21、31 第一集电层
211、311 导电基板
2111、3111 穿孔
2112 第一表面
2113 第二表面
212、312 绝缘层
22、32 第一活性材料层
23、33 隔离层
24、34 第二活性材料层
25、35 第二集电层
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的一实施例所提供的锂电池结构的剖面图，锂电池结构由两个电池单元所组成，分别为第一电池单元10a与第二电池单元10b，其中第一电池单元10a包含有第一集电层21、第一活性材料层22、隔离层23、第二活性材料层24、第二集电层25，而第二电池单元10b包含有第一集电层31、第一活性材料层32、隔离层33、第二活性材料层34、第二集电层35。
首先就第一集电层21、31的部份来予以说明，请参阅图2A、图2B，图2A为本发明的实施例的锂电池结构的第一集电层立体图，图2B为图2A的A-A方向的剖面图。图2A与图2B以锂电池结构中的第一电池单元10a的第一集电层21来做说明，第一集电层21包含有导电基板211以及绝缘层212，导电基板211的材料系选自铜、镍、铁、锌、金、银、钛、以上任意组合或不与锂发生合金化反应的材料，导电基板211具有平行相对应的第一表面2112与第二表面2113，导电基板211上具有多个穿孔2111，穿孔2111贯穿并连通导电基板211的第一表面2112与第二表面2113，绝缘层212覆盖于导电基板211的第一表面2112，并沿着穿孔2111延伸至第二表面2113的穿孔2111的开口附近的表面，如以图2B所绘示，绝缘层212覆盖于导电基板211的第一表面2112，并沿着穿孔2111而覆盖于穿孔211的侧壁面，且沿着穿孔2111于第二表面2113的开口边缘覆盖，来形成第一集电层21。
绝缘层212、312构成的材料则为电性绝缘材料，例如为电性绝缘高分子材料、电性绝缘陶瓷材料、电性绝缘玻璃材料、电性绝缘玻璃纤维材料、或上述材料的任意组合，其中绝缘高分子材料可为聚酰亚胺、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚氨酯、聚丙烯酸、环氧树脂或硅胶，绝缘玻璃纤维材料可为FR4等级的玻璃纤维材料，常见的材料可为FR4环氧树脂玻璃纤维材料。
而第一活性材料层22则设置于第一集电层21的第二表面2113、且未受到绝缘层212覆盖的区域，而可使第一活性材料层22直接与第一集电层21接触，来构成极层结构20，请参阅图2C。一般来说，第一活性材料层22为锂金属或是锂系金属的负极活性材料，可以采用涂覆或是贴合的方式来形成，再者，也可为碳层、氧化硅层、或是上述至少两种负极活性材料混合。而第二电池单元10b的第一集电层31的结构概略与第一电池单元10a的第一集电层21相同，同样通过具有穿孔3111的导电基板311以及绝缘层312所构成，在此不重复赘述。
接续回到图1，由图中显示，第一电池单元10a的隔离层23设置于第一集电层21的上方，接着依序设置第二活性材料层24、第二集电层25，相同地，第二电池单元10b的隔离层33设置于第一集电层31的下方，再接着依序设置第二活性材料层34、第二集电层35。而两第一集电层21、31之间设置有离子导引层13，且离子导引层13更延伸进入第一电池单元10a的第一集电层21的穿孔2111、以及第二电池单元10b的第一集电层31的穿孔3111内。
离子导引层13可以区分为仅由可传递离子的离子传递材料所组成，或者是由一可含吸离子传递材料的基材与离子传递材料所共同组成。
当该离子导引层是由一可含吸离子传递材料的基材与一离子传递材料所共同组成时，此离子传递材料本质上(主体)可以选自于液态电解质、胶态电解质、离子液体、离子液体电解质、接口调整材(其详细说明容后详述)或其组合，上述这些材料都是属于可形变或者是可被含吸的材料。离子传递材料也可还包含有少量的氧化物固态电解质，此处的少量是指体积或质量上远小于主体材料，此部份说明容后详述；左右两侧利用封装结构12来予以封装，配合上、下以第一电池单元10a的第二集电层25、第二电池单元10b的第二集电层35来构成完整的封装结构。
封装结构12的配置依据第一集电层21、31的型态变化，如图1中所绘示，第一电池单元10a的第一集电层21、以及第二电池单元10b的第一集电层31的侧面向两侧延伸，因此会将封装结构12分隔为三个区段，分别为位于第一电池单元10a的第二集电层25与第一集电层21之间的第一封装体121、第一电池单元10a的第一集电层21与第二电池单元10b的第一集电层31之间的第二封装体122、以及第二电池单元10b的第一集电层31与第二集电层35的第三封装体123，第一封装体121、第二封装体122、以及第三封装体123皆为环绕的框形结构，来封围于第一电池单元10a与第二电池单元10b的侧面。除了前述单层结构外，为了使封装结构12的封装效果更佳，于本发明另一实施中，封装结构12的第一封装体121、第二封装体122、以及第三封装体123分别可具有三层结构，请参阅图3及图4，以其中第一封装体121为例，上下两层为改质硅胶层1211、1212，而中间为硅胶层1213，两侧的改质硅胶层1211、1212可为硅胶中通过调整加成型硅胶与缩合型硅胶的组成比例、或是添加譬如环氧树脂或压克力酸来予以改质，使其适合黏接不同材料(也就是第二集电层25、第一集电层21与中间的硅胶层1213)，此设计则可使其接口间的接着力提高，同时，使得整体外观的完整性更高，生产良率亦提高。再者，亦较能阻绝水气的渗入，对内则可因硅胶为主体来予以阻挡极性溶剂与塑性剂的侵害，使整体封装结构更加完备。其余第二封装体122、以及第三封装体123也是相同的设计，在此不重复赘述。
接续请参阅图5，于封装结构12外可还包含有一外封装体15，通过内外双层的封装架构，使得提供的锂电池结构阻水、氧气的效果更佳。外封装体15可采用与封装结构12相同或是相异的材质。
请继续参照图1，第一电池单元10a的第一活性材料层22与第二电池单元10b的第一活性材料层32皆朝内且面对面设置，换句话说，也就是第一电池单元10a的第一集电层21未受到绝缘层212覆盖的区域相对于第二电池单元10b的第一集电层31未受到绝缘层312覆盖的区域设置。一般说来，以锂电池而言，第一活性材料层22、32与第一集电层21、31为负极，而第二活性材料层24、34与第一集电层25、35为正极；因此，第一集电层21、31利用绝缘层212阻挡电子接触到接近于开口附近的表面，故可在电化学反应过程中避免锂离子沉积，配合同时第一活性材料层22与第二电池单元10b的第一活性材料层32本质上面对面设置(face-to-face)，更可将所产生的锂突触控制于两第一活性材料层22、32之间，降低锂突触穿过孔洞而发生穿刺隔离层23、33的情形。同时，由于将锂突触生长的位置大多控制于第一活性材料层22、32相对的位置上，可有效地利用锂突触作为补充锂源，使得电池内部锂离子的耗损量将可降低，进一步可增加电池循环使用次数，再者也可以通过该些已成形的锂突触来产生抑制的应力，避免更多锂突触的形成。
于此实施例中，第一电池单元10a的第一活性材料层22与第二电池单元10b的第一活性材料层32面对面设置的距离可为5-100微米(μm)。
再者，通过绝缘层212、312的电性绝缘特性，可使电子在电化学反应的过程中不会接触到开口周缘附近的表面及/或孔洞内的侧表面，故可以有效地降低锂离子沉积的量，并控制锂离子沉积的位置，使锂突触不会沿着穿孔2111、3111向隔离层23、33方向生长，降低电池内部因锂突触形成而导致的内部短路、安全性降低等问题。
此外，可含吸离子传递材料的基材可以为可含吸离子导引材料的多孔结构，且材质可为高分子材料、陶瓷材料、玻璃材料、纤维材料或上述材料的组合所构成，且其多孔结构可为粒子堆积所构成的孔洞、或纤维状材料所构成的孔洞。其中，粒子状材料可为陶瓷颗粒、高分子颗粒或玻璃颗粒。纤维状结构材料可为高分子纤维材料或玻璃纤维材料，且更可将该基材内的颗粒状与纤维状结构材料的表面改质为带有正或负电荷的表面。举例来说，当孔洞的表面带有正电荷，可有效减少表面电双层的产生，因此可减少锂离子在迁移时所产生的极化现象；而当基材内孔洞的表面带有负电荷时，则可使锂离子分布更为均匀。
因基材具有因有颗粒状结构或纤维状结构材料所形成的孔洞，使得电池中的锂金属离子可以在基材的孔洞内进行沉积与溶解，除此之外，在锂离子沉积的过程中，锂金属离子还可以依附于基材的颗粒状结构或纤维状结构，以形成保护锂金属表面的固态电解质界面(SEI)。由于锂金属离子沉积与溶解的尺寸变化为15～20μm，固态电解质界面的厚度为10～50nm，相较之下，两者差别太大。若固态电解质界面无任何支撑，则每次锂离子进行沉积与溶解都会破坏固态电解质界面，而破坏固态电解质界面则需要损耗可逆容量(锂离子浓度)。因此，本发明的基材的颗粒状结构或纤维状结构材料，可成为支撑固态电解质界面在锂金属沉积与溶解的结构材料，或是更甚者，部分颗粒状或纤维结构材料直接参与此固态电解质界面的形成，并使锂金属离子在沉积与溶解过程中，减少持续生成SEI，进而减少可逆容量的损失。
同时，通过基材的颗粒状与纤维状材料结构表面的依附性(表面张力)，可将电解质均匀且连续地引导至第一活性材料层22、32，使离子交换的效率能够提升。且因为基材的表面还可经过表面处理以使其带有电荷(正或负都可)，除了可有助于电解质的均匀分布外，若基材中颗粒状材料结构或纤维状结构上多带正电荷，则可以协助减少第一集电层21、31表面因锂离子迁移而产生的极化；若基材中颗粒状材料结构或纤维状结构多带负电荷，则会使锂离子分布更为均匀，同时也有利于锂突触不定向地生长。
再者，考虑离子导引层13的材质，本质上为绝缘材料而能防止正负极集电层相互接触的短路问题，也可将隔离层23、33予以省略，请参阅图6所示。
接续，针对当离子导引层13仅由可传递离子的离子传递材料所组成的实施例进行说明。图7为根据本发明一实施例的锂电池结构的剖面图，图7的实施例沿用图1的实施例的组件标号与部分内容，其中采用相同或相似的标号来表示相同或近似的组件，并且省略了相同技术内容的说明，关于省略的部份的说明可参考前述实施例，于此不赘述。图7与图1的不同处在于，离子导引层是无前述的基材且离子传递材料的主体为形变能力较差(也就是抗应力强度较强)的无机固态电解质(举例来说可以是氧化物固态电解质或者是硫化物固态电解质)。此种离子导引层于图中以无机固态电解质离子导引层14表示，配合第一集电层21、31外侧表面皆为绝缘层212、312所覆盖，因此，当电池弯折时，不会有正负极集电层相互接触而产生短路的问题，因而可将隔离层23、33予以省略。于另一实施例中，为使电解质分布更为均匀与降低无机物固态电解质间的界面高阻抗问题，无机固态电解质离子导引层14中还可包含少量的液态电解质、胶态电解质、离子液体、离子液态电解质或上述材料的任意组合。此外，图7的封装体12中的第一封装体121、第二封装体122以及第三封装体123亦可分别为单层或三层结构，该三层结构与图4的实施例的三层结构相同，相关叙述请参照图4，于此不再赘述。
其中，考虑无机固态电解质颗粒间接触面不良所衍生的高界面阻抗问题，因此，可于无机固态电解质颗粒外部包覆一接面调整材，或者于无机固态电解质颗粒之间设置有接面调整材，使无机固态电解质之间可通过接面调整材来形成面到面的离子传递途径。接面调整材可由一可供锂离子在材料内部移动的聚合物基材与一可解离锂盐并且作为增塑剂的添加材所混合而成。
可供锂离子在材料内部移动的聚合物基材是指自身(原材料状态或者说在电化学反应初期)不具有锂离子，但可以传递锂离子的材料，举例来说可选自于不含有盐类的线性结构材料，如PEO。或者是除了可供锂离子移动传递外，更因自身是交联型态能够增加成膜机械强度的材料，例如例如聚乙二醇双丙烯酸酯(Poly(ethylene glycol)diacrylate(PEGDA))、聚乙二醇双甲基丙烯酸酯(Poly(ethylene glycol)dimethacrylate(PEGDMA))、聚乙二醇甲基醚(Poly(ethylene glycol)monomethylether(PEGME))、聚乙二醇双甲基醚(Poly(ethylene glycol)dimethylether(PEGDME))、聚氧化乙烯/2,(2-甲氧乙氧)-乙基缩水甘油基醚共聚物(poly[ethylene oxide-co-2-(2-methoxyethoxy)ethyl glycidylether](PEO/MEEGE))。或者是超分支聚合物(Hyperbranched polymers)系列，例如聚双(三乙二醇)苯甲酸酯(poly[bis(triethylene glycol)benzoate])。聚腈(Polynitriles)系列，如聚丙烯腈(Polyacrylonitrile(PAN))、聚甲基丙烯腈(poly(methacrylonitrile)(PMAN))、聚(N-2-氰乙基)乙胺(poly(N-2-cyanoethyl)ethyleneamine)(PCEEI))。
另一方面，接面调整材中可还混合有一离子供应材料与一结晶抑制材，离子供应材料可以是锂盐，举例来说如双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟代磺酰亚胺锂(LiFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)或六氟磷酸锂(LiPF6)，来增加锂离子的浓度；而结晶抑制材可选自于更具有降低结晶性效果的材料，例如聚乙基丙烯酸甲酯(Poly(ethylmethacrylate)(PEMA))、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)(PMMA))、聚氧乙烯(poly(oxyethylene))、聚氰基丙烯酸酯(poly(cyanoacrylate)(PCA))、聚乙二醇(Polyethylene glycol(PEG))、聚乙烯醇(Poly(vinyl alcohol)(PVA))、聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral(PVB))、聚氯乙烯(Poly(vinyl chloride)(PVC))、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯(PVC-PEMA)、聚氧乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯(PEO-PMMA)、聚丙烯腈甲基丙烯酸甲酯共聚物(Poly(acrylonitrile-co-methyl methacrylate)P(AN-co-MMA))、聚乙烯醇-聚偏二氟乙烯(PVA-PVdF)、聚丙烯腈-聚乙烯醇(PAN-PVA)、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯(PVC-PEMA)。聚碳酸酯(Polycarbonates)系列，例如聚环氧乙基乙烯基碳酸酯(poly(ethylene oxide-co-ethylene carbonate)(PEOEC))、多面体硅氧烷寡聚物(Polyhedraloligomeric silsesquioxane(POSS))、聚碳酸乙烯酯(Polyethylene carbonate(PEC))、聚碳酸丙烯酯(poly(propylene carbonate)(PPC))、聚乙基缩水甘油醚碳酸酯(poly(ethylglycidyl ether carbonate)(P(Et-GEC))、聚叔丁基缩水甘油醚碳酸酯(poly(t-butylglycidyl ether carbonate)P(tBu-GEC))。环状碳酸酯(Cyclic carbonates)系列，如聚碳酸三甲烯酯(poly(trimethylene carbonate)(PTMC))。聚硅氧烷(Polysiloxane-based)系列，如聚二甲硅烷(Polydimethylsiloxane(PDMS))、聚二甲硅烷环氧乙烷共聚物(poly(dimethyl siloxane-co-ethylene oxide)P(DMS-co-EO))、聚乙烯氧基硅氧烷(Poly(siloxane-g-ethyleneoxide))。聚酯(Polyesters)系列，如乙烯己二酸酯(ethyleneadipate)、乙烯丁二酸酯(ethylene succinate)、乙烯丙二酸酯(ethylene malonate)。再者，如聚偏二氟乙烯共六氟丙烯(Poly(vinylidenedifluoridehexafluoropropylene)(PvdF-HFP))、聚偏二氟乙烯(Poly(vinylidenedifluoride)(PvdF))、聚己内酯(Poly(ε-caprolactone)(PCL))。
上述的可以使锂盐解离并且作为增塑剂的添加材可选自于可塑晶体电解质(Plastic crystal electrolytes(PCEs))系列，例如丁二腈(Succinonitrile(SN)[ETPTA//SN；PEO/SN；PAN/PVA-CN/SN])、N-乙基-N-甲基吡咯烷+N,N-二乙基吡咯烷(N-ethyl-N-methylpyrrolidinium,[C2mpyr]+AnionsN,N-diethyl-pyrrolidinium,[C2epyr])、季烷基铵(Quaternary alkylammonium)、正烷基三甲基鏻(n-alkyltrimethylphosphonium,[P1,1,1,n])、十甲基二茂铁(Decamethylferro-cenium,[Fe(C5Me5)2])、1-(N,N-二甲胺)-2-氨基-三氟甲磺酸乙酯(1-(N,N-dimethylammonium)-2-(ammonium)ethane triflate([DMEDAH2][Tf]2))、Anions＝[FSI],[FSA],[CFSA],[BETA]、双(三甲基)硅基硫酸锂(LiSi(CH3)3(SO4),Trimethy(lithium trimethylsilylsulfate))。或者是离子液体，其可选自于咪唑(IMIDAZOLIUM)系列，如双(三氟甲磺基)酰亚胺(ANION/Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)、双(氟磺基)酰亚胺(ANION/Bis(fluorosulfonyl)imide)、三氟甲磺酸酯(ANION/Trifluoromethanesulfonate)。或是铵(AMMONIUM)系列，如双(三氟甲磺基)酰亚胺(ANION/Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)。或是吡啶(PYRROLIDINIUM)系列，双(三氟甲磺基)酰亚胺(ANION/Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)、双(氟磺基)酰亚胺(ANION/Bis(fluorosulfonyl)imide)。或是哌啶(PIPERIDINIUM)系列，如双(三氟甲磺基)酰亚胺(ANION/Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)、双(氟磺基)酰亚胺(ANION/Bis(fluorosulfonyl)imide)。
接面调整材还可混入有第二掺杂物，此第二掺杂物可以是奈米级的钝性陶瓷材料(非电解质氧化物)或者是无机固态电解质，也可以是导电材。当第二掺杂物为钝性陶瓷材料时，可降低聚合物基材与添加材的使用量，并且提高成膜性，作为成膜加强材，在材料上举例来说二氧化硅，而若是奈米级的无机固态电解质则除了可降低聚合物基材与添加材的使用量外，还可提供一高速离子传导途径。此无机固态电解质举例来说可以是氧化物固态电解质或者是硫化物固态电解质或其它无机固态电解质。举例来说，离子在此界面调整材内传输时，可单纯仅选择调整材进行移动，或者也可以在碰触到奈米级无机固态电解质时，选择奈米级无机固态电解质作为动作路径。
同时，愈靠近第一、第二活性材料层22、32、24、34时，则接面调整材料所占的体积比越高，如此一来，将可以更有效符合接近活性材料的是低频传导需求，高频的传导需求是位于远离活性材料的位置，因此使用较高的固态电解质含量。
此外，在离子导引层仅是由一可传递离子的离子传递材料所组成的实施态样时，此离子传递材料是由先前所述之接面调整材添加有离子供应材料(例如锂盐)所组成。更可混合有结晶抑制材。
针对第一电池单元10a的第一活性材料层22与第二电池单元10b的第一活性材料层32面对面设置(face-to-face)部份来说，为了更进一步说明，请一并参阅图8与图2B，图8为本发明的实施例所提供的锂电池结构的第一集电层的底面示意图，绝缘层212主要为覆盖于第一表面2112，并沿着穿孔2111的侧壁面延伸至第二表面2113的穿孔2111的开口周缘。因此，第一集电层21的导电基板211的第二表面2113未受到绝缘层212覆盖的区域，主要为穿孔2111的开口周缘以外的区域，而供第一活性材料层22则设置此区域。通过第一电池单元10a的第一活性材料层22与第二电池单元10b的第一活性材料层32面对面设置(face-to-face)，来将所产生的锂突触控制于其间，且所谓面对面设置主要是使锂突触易形成于第一活性材料层22、32之间，并非限定第一电池单元10a的第一活性材料层22与第二电池单元10b的第一活性材料层32的分布与配置需要完全相同，两者于相对位置或是配置型态与图样上可以有所变化与调整，或是配置上有些许错位，同样也可产生控制锂突触生长趋势的效果。
依据本发明所公开的锂电池结构可知，本发明采两负极活性材料层面对面的设置，以有效地控制锂突触形成的位置，提高电池整体的安全性，并延长电池的使用寿命。

Claims (14)

1.一种锂电池结构，其包含有：
一第一与一第二电池单元，每一该电池单元包含有一第一集电层、一第一活性材料层、一第二活性材料层以及一第二集电层,其中该第一集电层包含有：
一导电基板，具有一第一表面与一第二表面，该第一表面与该第二表面是平行相对应，多个贯穿该导电基板并且连通该第一表面与该第二表面的穿孔；以及
一绝缘层，设置于该导电基板的该第一表面，且本质上完全覆盖该第一表面与该些穿孔的侧壁面，并延伸至该第二表面的该穿孔的开口周缘，以覆盖部分该第二表面；
其中该第一活性材料层设置于该导电基板的该第二表面，且未受到该绝缘层覆盖的区域，该第二活性材料层以及该第二集电层依序设置于该导电基板受该绝缘层完整覆盖的该第一表面；
其中该第一与该第二电池单元以该第一活性材料层本质上面对面的设置；
一离子导引层，设置于该第一与该第二电池单元的该第一活性材料层之间，并延伸至该导电基板的该些穿孔内；以及
一封装结构，设置于该第一与该第二电池单元之该第二集电层之间，而封围该第一与该第二电池单元；
其中该离子导引层由一可含吸离子传递材料的基材与一离子传递材料所组成；其中该基材为多孔结构，且通过高分子颗粒材料、陶瓷颗粒材料、玻璃颗粒、高分子纤维材料、玻璃纤维材料或上述材料的组合所构成；
该第一电池单元的该第一活性材料层与该第二电池单元的该第一活性材料层的距离为5-100微米;
该封装结构分隔为三个区段，分别为位于该第一电池单元的该第二集电层与该第一集电层之间的第一封装体、该第一电池单元的该第一集电层与该第二电池单元的该第一集电层之间的第二封装体、以及该第二电池单元的该第一集电层与该第二集电层的第三封装体。
2.根据权利要求1所述的锂电池结构，其中该绝缘层的材料选自于电性绝缘高分子材料、电性绝缘陶瓷材料、电性绝缘玻璃材料、电性绝缘玻璃纤维材料、或上述材料的任意组合。
3.根据权利要求2所述的锂电池结构，其中该绝缘高分子材料为聚酰亚胺、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚氨酯、聚丙烯酸、环氧树脂或硅胶，该绝缘玻璃纤维材料为FR4环氧树脂玻璃纤维材料。
4.根据权利要求1所述的锂电池结构，其中该离子传递材料为液态电解质、胶态电解质或其组合所构成。
5.根据权利要求4所述的锂电池结构，其中该离子传递材料为一接面调整材与一可解离的锂盐所组成，该接面调整材主要由一可供锂离子在材料内部移动的聚合物基材与一可解离锂盐并且作为增塑剂的添加材所混合而成。
6.根据权利要求5所述的锂电池结构，其中该接面调整材还包含有一结晶抑制材，所述结晶抑制材为聚乙基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧乙烯、聚氰基丙烯酸酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯、聚氧乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚乙烯醇-聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈-聚乙烯醇、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯、聚环氧乙基乙烯基碳酸酯、多面体硅氧烷寡聚物、聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯、聚乙基缩水甘油醚碳酸酯、聚叔丁基缩水甘油醚碳酸酯、聚碳酸三甲烯酯、聚二甲硅烷、聚二甲硅烷环氧乙烷共聚物、聚乙烯氧基硅氧烷、乙烯己二酸酯、乙烯丁二酸酯、乙烯丙二酸酯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚偏二氟乙烯、聚己内酯。
7.根据权利要求1所述的锂电池结构，其中该第一与一第二电池单元还分别具有一隔离层，该隔离层设置于该第二活性材料层以及该第一集电层之间。
8.根据权利要求1所述的锂电池结构，其中该离子导引层本质上仅由一离子传递材料所组成。
9.根据权利要求8所述的锂电池结构，其中该离子传递材料为无机固态电解质。
10.根据权利要求9所述的锂电池结构，其中该离子导引层还包含液态电解质、胶态电解质或上述材料的任意组合。
11.根据权利要求9所述的锂电池结构，其中该离子导引层还包含有一接面调整材，该接面调整材主要由一可供锂离子在材料内部移动的聚合物基材与一可解离锂盐并且作为增塑剂的添加材所混合而成。
12.根据权利要求11所述的锂电池结构，其中该接面调整材还包含有一结晶抑制材，所述结晶抑制材为聚乙基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧乙烯、聚氰基丙烯酸酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯、聚氧乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚乙烯醇-聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈-聚乙烯醇、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯、聚环氧乙基乙烯基碳酸酯、多面体硅氧烷寡聚物、聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯、聚乙基缩水甘油醚碳酸酯、聚叔丁基缩水甘油醚碳酸酯、聚碳酸三甲烯酯、聚二甲硅烷、聚二甲硅烷环氧乙烷共聚物、聚乙烯氧基硅氧烷、乙烯己二酸酯、乙烯丁二酸酯、乙烯丙二酸酯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚偏二氟乙烯、聚己内酯。
13.根据权利要求8所述的锂电池结构，其中该离子传递材料是由一接面调整材与一可解离的锂盐所组成，该接面调整材主要由一可供锂离子在材料内部移动的聚合物基材与一可解离锂盐并且作为增塑剂的添加材所混合而成。
14.根据权利要求13所述的锂电池结构，其中该接面调整材还包含有一结晶抑制材，所述结晶抑制材为聚乙基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧乙烯、聚氰基丙烯酸酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯、聚氧乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚乙烯醇-聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈-聚乙烯醇、聚氯乙烯-聚乙基丙烯酸甲酯、聚环氧乙基乙烯基碳酸酯、多面体硅氧烷寡聚物、聚碳酸乙烯酯、聚碳酸丙烯酯、聚乙基缩水甘油醚碳酸酯、聚叔丁基缩水甘油醚碳酸酯、聚碳酸三甲烯酯、聚二甲硅烷、聚二甲硅烷环氧乙烷共聚物、聚乙烯氧基硅氧烷、乙烯己二酸酯、乙烯丁二酸酯、乙烯丙二酸酯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚偏二氟乙烯、聚己内酯。
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