CN113571759A - 电池、电子设备及其制备方法 - Google Patents

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CN113571759A CN202110801642.1A CN202110801642A CN113571759A CN 113571759 A CN113571759 A CN 113571759A CN 202110801642 A CN202110801642 A CN 202110801642A CN 113571759 A CN113571759 A CN 113571759A
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Abstract

本申请公开了一种电池、电子设备及其制备方法，电池包括阳极层、阴极层和电解质层，所述阴极层、所述电解质层和所述阳极层依次叠放形成芯体；所述芯体与所述阳极层平行的两个侧面均设有绝缘层，所述芯体的第一侧面设置阴极集流体，所述芯体的第二侧面设置阳极集流体；所述芯体的第一侧面和所述芯体的第二侧面均平行于所述芯体的叠放方向；所述阴极集流体与所述阳极集流体上分别设置引流体。其中，阳极层、电解质层和阴极层依次叠放形成芯体，绝缘层、阴极集流体和阳极集流体设置在芯体的外侧面，无需占用芯体空间，芯体部分集中布设电池的活性物质，提高电池的能量密度。

Description

电池、电子设备及其制备方法
技术领域
本申请属于电池技术领域，具体涉及一种电池、电子设备及其制备方法。
背景技术
相关技术中，随着电子产品的不断发展，对电池的续航能力提出更高的挑战，当前的锂电子电池逐渐不能满足日益增长的能量密度需求。如何持续提高电池的能量密度水平，已成为制约锂离子电池继续发展的关键。
发明内容
本申请旨在提供一种电池、电子设备及其制备方法，至少解决电池能量密度低的问题。
为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提出了一种电池，包括阳极层、阴极层和电解质层，所述阴极层、所述电解质层和所述阳极层依次叠放形成芯体；
所述芯体与所述阳极层平行的两个侧面均设有绝缘层，所述芯体的第一侧面设置阴极集流体，所述芯体的第二侧面设置阳极集流体；所述芯体的第一侧面和所述芯体的第二侧面均平行于所述芯体的叠放方向；
所述阴极集流体与所述阳极集流体上分别设置引流体。
根据本申请实施例提供的一种电池，所述芯体相对的两个第一侧面均设有阴极集流体，所述芯体相对的两个第二侧面均设有阳极集流体。
根据本申请实施例提供的一种电池，所述阳极层和所述阴极层均包括导电剂和/或分散剂。
根据本申请实施例提供的一种电池，还包括封装层，所述封装层覆盖在所述绝缘层外部，所述封装层设有通孔，所述通孔用于供所述引流体穿过。
根据本申请实施例提供的一种电池，所述引流体呈方形、圆形或三角形。
根据本申请实施例提供的一种电池，所述阳极层和/或所述阴极层内设置有一层集流层。
根据本申请实施例提供的一种电池，设置在所述阳极层中的所述集流层为铜层，设置在所述阴极层中的所述集流层为铝层。
根据本申请实施例提供的一种电池，所述电解质层的厚度为10nm-500um。
第二方面，本申请实施例还提供的一种电子设备，包括电子器件及电池，所述电池与所述电子器件电连接，所述电池为如第一方面所述的电池。
第三方面，本申请实施例还提供一种电池的制备方法，包括：
将阴极层、电解质层和阳极层依次叠放形成芯体；
在芯体的第一侧面、第二侧面和第三侧面分别沉积一层绝缘层，所述第一侧面上的绝缘层覆盖第一侧面上的所有阳极层，所述第二侧面上的绝缘层覆盖所述第二侧面上的所有阴极层；其中，所述芯体的第三侧面平行于所述阳极层，所述芯体的第一侧面和第二侧面均沿所述芯体的叠放方向延伸；
在所述第一侧面沉积一层导电层作为阴极集流体，在所述第二侧面沉积一层导电层作为阳极集流体；
在所述阳极集流体与所述阴极集流体上分别焊接引流体。
在本申请实施例中，阳极层、电解质层和阴极层依次叠放形成芯体，绝缘层、阴极集流体和阳极集流体设置在芯体的外侧面，无需占用芯体空间，芯体部分集中布设电池的活性物质，提高电池的能量密度，另外，本申请实施例中，阴极集流体和阳极集流体各自独立设置在芯体的不同侧面，引流体设置在集流体上作为电池极耳，无需设置单独的极耳，有助于进一步提升电池的能量密度。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请实施例的芯体的分解图；
图2是根据本申请实施例的芯体的侧视图；
图3是根据本申请实施例的芯体的立体图；
图4是图3所示出的芯体在侧面沉积绝缘层后的前视图；
图5是图3所示出的芯体在侧面沉积绝缘层后的侧视图；
图6是图4所示出的结构沉积集流体后在与图4相同视角下的结构示意图；
图7是图4所示出的结构沉积集流体后在与图5相同视角下的结构示意图；
图8是图4所示出的结构沉积集流体后的立体结构图；
图9是图8所示结构安装引流体后的立体图；
图10是图9所示结构沉积封装层后的立体图；
图11是图本申请又一实施例提供的芯体的结构示意图。
附图标记：
1：绝缘层； 2：阴极层； 3：电解质层；
4：阳极层； 5：阴极集流体； 6：阳极集流体；
9：引流体； 10：封装层； 11：集流层。
具体实施方式
下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“宽度”“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
下面结合图1-图11描述本申请实施例的电池的具体结构。
根据本申请一些实施例的电池，电池包括阳极层4、阴极层2和电解质层3，阳极层4、电解质层3和阴极层2依次叠放形成芯体。芯体与阳极层4平行的两个侧面均设有绝缘层1。如图6和图7所示，在芯体的第一侧面设置阴极集流体5，在芯体的第二侧面设置阳极集流体6。芯体的第一侧面和芯体的第二侧面均平行于芯体的叠放方向，第一侧面和第二侧面为芯体的不同侧面。如图9所示，阴极集流体5和阳极集流体6分别设置引流体9。
在本申请一些实施例中，在一层绝缘基体上先沉积一层活性材料层作为阴极层，然后沉积一层电解质层3，接着在电解质层3上沉积一层活性材料层作为阳极层，再沉积一层电解质层3，在电解质层3上沉积一层活性材料层作为阴极层，不断堆叠直至预设高度，然后在沉积一层绝缘层1。该实施例中，紧挨着绝缘基体的活性材料层为阴极层2。在本申请又一些实施例中，在一层绝缘基体上先沉积一层活性材料层作为阳极层，然后沉积一层电解质层3，接着在电解质层3上沉积一层活性材料层作为阴极层，层层堆叠至预设高度。该实施例与上一实施例的差别在于，紧挨着绝缘基体的活性材料层为阳极层。
其中，阳极层4包括硅、硅基材料、锂金属和石墨中的一种或多种，阳极层可以为单一材料或多种材料的复合。阳极层采用化学式真空镀膜(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)、物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，简称PVD)、原子层沉积(Atomiclayer deposition，简称ALD)、丝网印刷、热压、浆料涂覆、电化学沉积中的任一种工艺成型，阳极层的厚度为200nm-5mm。可以根据需要将阳极层的厚度做成200nm、400nm、600nm、1mm、3mm、5mm中的任一厚度。
阴极层2的材料包括LiCoO2、Li(NixCoyMn1-x-y)O2、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、LiMn2O4和LiFePO4中的一种或多种。阴极层2可以采用单一材料和多种材料的复合。阴极层2采用薄膜沉积工艺、丝网印刷工艺、热压工艺和浆料涂覆工艺中的一种制成，阴极层2的厚度为200nm-5mm。比如，可以根据需要将阴极层2的厚度做成200nm、400nm、600nm、1mm、3mm、5mm中的任一厚度。
电解质层3包括锂离子导体化合物、硫化物、氧化物、聚丙烯腈和聚氧化乙烯中的一种或多种。具体地，电解质层3为Li10GeP2S12，Li2S，Li3PS4等硫化物、Li4T15O12，Li2ZrO3，La0.57Li0.29TiO3，NASICON型等氧化物，或者LiBH4，LiBr，LiCl等。电解质层3通过沉积工艺成型，比如，可以采用CVD、PVD、ALD、溶胶-凝胶法、电化学沉积方法制备。
绝缘层1包括氮化硅、氧化铝和氧化硅中的一种或多种。绝缘层1的成型方法为原子层沉积(Atomic layer deposition，简称ALD)、物理气相沉积(Physical VapourDeposition，简称PVD)、化学式真空镀膜(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)、热氧化中的任一种。当然，还可以采用其他成型工艺，对此本申请实施例不做具体限定。绝缘层1的厚度为10nm-500um。
阳极集流体6和阴极集流体5的材料分别为Cu、Ni、Ag、Pt、Au、W、不锈钢中的任一种，具有良好的导电性能。一种具体的实施例为，阳极集流体6为铜层，阴极集流体5为铝层。可选地，阳极集流体6的厚度和阴极集流体5的厚度分别为20nm-200um。阳极集流体6和阴极集流体5通过CVD、PVD、ALD、电化学沉积中的任一种工艺成型，当然，还可以采用其他工艺，本申请实施例不做具体限定。
第一侧面和第二侧面可以为相邻的两个侧面或者相对的两个侧面。安装在阳极集流体6上的引流体9作为电池的阳极对外电连接，安装在阴极集流体5上的引流体9作为电池的阴极对外电连接。可选地，如图9所示，引流体9为方形。当然，引流体9也可以为圆形或三角形等其他形状。引流体9的材料为铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)、不锈钢等。可以理解的，阴极集流体5和阳极集流体6均可以采用其他结构形式的金属结构。
本申请实施例提供的电池，阳极层4、电解质层3和阴极层2依次叠放形成芯体，绝缘层1、阴极集流体5和阳极集流体6设置在芯体的外侧面，无需占用芯体空间，芯体部分集中布设电池的活性物质，提高电池的能量密度，另外，本申请实施例中，阴极集流体5和阳极集流体6各自独立设置在芯体的不同侧面，引流体9设置在集流体上作为电池极耳，无需设置单独的极耳，有助于进一步提升电池的能量密度。
在本申请一些实施例中，阳极集流体6设置在芯体的两个相对的第一侧面，阴极集流体5设置在芯体的两个相对的第二侧面。
如图8所示，阳极集流体6和阴极集流体5均设有两个。其中，相对设置的两个第一侧面均布设阴极集流体5，相对设置的两个第二侧面均设置阳极集流体6。阴极集流体5和阳极集流体6各设有两个，围设在芯体的四周。对应的，每一阳极集流体6和每一阴极集流体5均设置一个引流体9。阳极集流体6和阴极集流体5分别设置在相对侧面上，从而是作为电池阳极和阴极的引流体9相对布设且分别有两个，方便进行电池的串并联。在本申请又一实施例中，阴极集流体5设置在相邻的两个侧面上，阳极集流体6设置在另两个相邻的侧面上。在本申请再一些实施例中，阳极集流体6仅设置在芯体的一个侧面上，阴极集流体5也仅设置一个并设置在芯体的任一其他侧面上。
本申请实施例提供的电池，阴极集流体5和阳极集流体6各布设在芯体的两个相对侧面上，有利于电池的串并联。
为了防止阳极集流体6和阴极集流体5电连接，在阳极集流体6和阴极集流体5外圈分别设置一圈绝缘材料。设置阳极集流体6的芯体侧面上，所有的阴极层2被绝缘材料覆盖，阳极集流体6为导电材料，导电材料覆盖在该侧面的绝缘材料和所有阳极层上，将阳极层连在一起。类似的，设置有阴极集流体5的芯体侧面上，所有的阳极层被绝缘材料覆盖，阴极集流体5为导电材料，覆盖该侧面的绝缘材料和所有阴极层2上。绝缘层1、阴极集流体5和阳极集流体6包覆在芯体外部。在本申请又一些实施例中，阳极集流体6仅布设在芯体的一个侧面上，阴极集流体5布设在芯体的另一个侧面上。未设置阳极集流体6和阴极集流体5的芯体侧面沉积绝缘材料进行绝缘处理。
本申请实施例提供的电池，芯体的所有侧面除阳极集流体6和阴极集流体5之外的区域均设有绝缘材料进行绝缘处理。
可选地，阳极层4还包括导电剂和/或分散剂。阴极层2还包括导电剂和/或分散剂。比如，在阳极层4内添加导电剂或者在阴极层2内添加分散剂，还可以同时添加导电剂和分散剂。
本申请实施例提供的阳极层4和阴极层2借由导向剂和/或分散剂提高导电能力，进一步提升能量密度。
在上述实施例基础上，该封装层10覆盖在绝缘层1外部。在封装层10设置有通孔，用于供引流体9穿过。
该实施例提供的电池，如图10所示，本申请实施例提供的电池还包括封装层10，封装层10覆盖在除引流体9外的整个区域。封装层10的材料为金属或者固化胶。可选地，封装层10为防水性能优异的固态环氧树脂。
为了加工方便，阳极集流体6的厚度和阴极集流体5的厚度相同，在设置封装层10之前形成表面平整的待封装结构。可选地，设置在阴极集流体5和阳极集流体6四周的外绝缘层1的外壁与阳极集流体6、阴极集流体5的外表面持平。设置在阴极集流体5和阳极集流体6四周的绝缘材料宽度为20nm-500um，比如可以根据需要在阳极集流体6和阴极集流体5的四周设置一圈宽度为20nm、40nm、200nm、100um、300um、500um的绝缘材料。
可选地，引流体9呈圆形或三角形或方形。如图9所示，引流体9呈方形。
在上述任一实施例基础上，本申请实施例提供的电池，如图11所示，阳极层4和/或阴极层2内设置有一层集流层11。
集流层11为金属材料，用于提高阳极层4和阴极层2的导电能力。在本申请一些实施例中，阳极层设置有一层集流层11，阴极层2设置有一层集流层11。在本申请又一些实施例中，仅在阳极层设置一层集流层11，阴极层2采用活性材料制成并不设置金属流体层。在本申请再一些实施例中，仅在阴极层2设置一层集流层11，阳极层采用活性材料制成并不设置金属流体层。
该实施例提供的电池，通过在阳极层和/或阴极层2设置一层集流层11，提高阳极层和阴极层2与对应集流体的连通面积，从而增加导电能力。
可选地，设置在阳极层中的集流层11为铜层，设置在阴极层2中的集流层11为铝层。通过设置在阳极层中的铝层和设置在阴极层2中的铜层提高电池的导电能力。
其中，电解质层3的厚度为10nm-500um。比如，可以根据需要将电解质层3的厚度做成10nm、50nm、600nm、100um、300um、500um中的任一厚度。
该实施例提供的电池，将电解质层3的厚度降低至10nm-500um，进一步减小电池中非活性材料的厚度，提高活性材料的占比，提升电池的能量密度。
本申请实施例还提供一种电子设备，其包括电子器件及如上所述的电池，电子器件与电池电连接。
本申请实施例提供的电子设备，采用如上所述的电池为电子器件供电，由于电池能量密度高，可以有效提高电池的供电时间。
本申请实施例还提供一种电池的制备方法，包括：
步骤S1：如图1至图3所示，将阴极层2、电解质层3和阳极层4依次叠放形成芯体。
具体的，在作为绝缘基体的一层绝缘层1上沉积一层活性材料层，在活性材料层上沉积一层电解质层3，在电解质层3上沉积一层活性材料层，交替沉积活性材料层和电解质层3，顺次交错至预设厚度，然后在最上层沉积一层绝缘层1。作为阳极层的活性材料层通过采用CVD，PVD，丝网印刷、热压、浆料涂覆、电化学沉积中的任一种工艺成型，厚度为200nm-5mm。作为阴极层的活性材料层采用薄膜沉积工艺、丝网印刷工艺、热压工艺和浆料涂覆工艺中的一种制成，阴极层2的厚度为200nm-5mm。电解质层3通过CVD、PVD、ALD、溶胶-凝胶法、电化学沉积方法等工艺成型，厚度为10nm-500um。
可选地，芯体沿X方向的长度1mm-200mm，沿Y方向的长度1mm-200mm。
步骤S2：如图3、图4和图5所示，在芯体的第一侧面、第二侧面和第三侧面分别沉积一层绝缘层。如图4所示，第一侧面上的绝缘层覆盖第一侧面上的所有阳极层，如图5所示，第二侧面上的绝缘层覆盖第二侧面上的所有阴极层。其中，芯体的第三侧面平行于阳极层，芯体的第一侧面和第二侧面均沿芯体的叠放方向延伸。
步骤S3：如图6所示，在第一侧面沉积一层导电层作为阴极集流体5，如图7所示，在第二侧面沉积一层导电层作为阳极集流体6。
阳极集流体6的边缘沉积一圈绝缘层1，最终沉积后如图7所示。该处绝缘层1的厚度与阳极集流体6和阴极集流体5持平，宽度为20nm-500um。
步骤S4：如图9所示，在阳极集流体6和阴极集流体5上分别焊接引流引流体9。
步骤S5：如图10所示，在外部沉积一层封装层10，封装材料可以为金属、固化胶等。
在本申请另一实施例中，如图11所示，步骤S1中沉积一层活性材料层后沉积一层集流层11，然后再沉积一层活性材料层，两层活性材料层夹设一层集流层11形成复合层，在各个电解质层3的至少一侧设置该复合层。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电池，其特征在于，包括：
阳极层、阴极层和电解质层，所述阴极层、所述电解质层和所述阳极层依次叠放形成芯体；
所述芯体与所述阳极层平行的两个侧面均设有绝缘层，所述芯体的第一侧面设置阴极集流体，所述芯体的第二侧面设置阳极集流体；所述芯体的第一侧面和所述芯体的第二侧面均平行于所述芯体的叠放方向；
所述阴极集流体与所述阳极集流体上分别设置引流体。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述芯体相对的两个第一侧面均设有阴极集流体，所述芯体相对的两个第二侧面均设有阳极集流体。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述阳极层和所述阴极层均包括导电剂和/或分散剂。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，还包括封装层，所述封装层覆盖在所述绝缘层外部，所述封装层设有通孔，所述通孔用于供所述引流体穿过。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述引流体呈方形、圆形或三角形。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电池，其特征在于，所述阳极层和/或所述阴极层内设置有一层集流层。
7.根据权利要求6所述的电池，其特征在于，设置在所述阳极层中的所述集流层为铜层，设置在所述阴极层中的所述集流层为铝层。
8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电解质层的厚度为10nm-500um。
9.一种电子设备，其特征在于，包括电子器件及电池，所述电池与所述电子器件电连接，所述电池为如权利要求1-8任一项所述的电池。
10.一种电池的制备方法，其特征在于，包括：
将阴极层、电解质层和阳极层依次叠放形成芯体；
在芯体的第一侧面、第二侧面和第三侧面分别沉积一层绝缘层，所述第一侧面上的绝缘层覆盖第一侧面上的所有阳极层，所述第二侧面上的绝缘层覆盖所述第二侧面上的所有阴极层；其中，所述芯体的第三侧面平行于所述阳极层，所述芯体的第一侧面和第二侧面均沿所述芯体的叠放方向延伸；
在所述第一侧面沉积一层导电层作为阴极集流体，在所述第二侧面沉积一层导电层作为阳极集流体；
在所述阳极集流体与所述阴极集流体上分别焊接引流体。
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