CN207624803U - 一种锂离子电池正极结构和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种锂离子电池正极结构和锂离子电池，包括衬底、离子导体、正极导体层和电子导体；所述衬底设置有正极集流体层，所述离子导体包括离子导体层和凸起部件；所述正极导体层位于所述正极集流体层和所述离子导体层之间；所述凸起部件的一端与所述离子导体层相连，所述凸起部件的另一端嵌入所述正极导体层；所述电子导体的一端与所述正极集流体层相连，所述电子导体的另一端嵌入所述正极导体层。采用本实用新型的技术方案，能够增加锂离子电池的容量和能量密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种锂离子电池正极结构和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池已广泛应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电器中，深受广大用户的钟爱，在未来的电动汽车也有着非常好的应用前景，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。
目前，通常采用半导体薄膜工艺制备的“三明治”叠层结构的锂离子，锂离子电池的正极结构中，正极层只含有正极活性物质，不含有电子和离子传导介质，限制了正极层的厚度，降低了锂离子电池的容量和能量密度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种锂离子电池正极结构和锂离子电池，提高了锂离子电池的容量和能量密度。
为实现上述目的，本实用新型提供一种锂离子电池正极结构，包括衬底、离子导体、正极导体层和电子导体；
所述衬底设置有正极集流体层，所述离子导体包括离子导体层和凸起部件；
所述正极导体层位于所述正极集流体层和所述离子导体层之间；
所述凸起部件的一端与所述离子导体层相连，所述凸起部件的另一端嵌入所述正极导体层；
所述电子导体的一端与所述正极集流体层相连，所述电子导体的另一端嵌入所述正极导体层。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述离子导体层和所述凸起部件为一体化结构。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述电子导体和所述凸起部件交错排列。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述正极集流体层由第一金属材料形成。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述电子导体由第二金属材料或者含碳材料形成；
所述第一金属材料与所述第二金属材料相同或者不同。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述离子导体层厚度为1-3μm；所述凸起部件的厚度为0.7-5.7μm。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述正极导体层的厚度为1-6μm。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，电子导体的厚度为0.7-5.7μm。
进一步地，上述所述的锂离子电池正极结构中，所述离子导体通过物理气相沉积方法、三维打印方法和模板法中的至少一种制备；和/或，所述电子导体通过物理气相沉积方法、三维打印方法和模板法中的至少一种制备。
本实用新型还提供一种锂离子电池，包括依次设置的电池包装隔离保护膜、负极流体层、负极导体层和如上所述的锂离子电池正极结构。
本实用新型的锂离子电池正极结构和锂离子电池，通过设置衬底、离子导体、正极导体层和电子导体，并将离子导体的凸起部件和电子导体分别嵌入正极导体层，形成三维离子/电子导体混合网络的锂离子电池正极结构，实现了在不降低活性材料利用率的前提下，增加正极导体层的厚度。采用本实用新型的技术方案，能够增加锂离子电池的容量和能量密度。
附图说明
图1为本实用新型的锂离子电池正极结构实施例的结构示意图；
图2为本实用新型的锂离子电池实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实施例中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
实施例1
图1为本实用新型的锂离子电池正极结构实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例的锂离子电池正极结构可以包括衬底10、离子导体11、正极导体层12和电子导体13。其中，衬底10设置有正极集流体层101，衬底10可以由硅片、玻璃、不锈钢片或者聚酰亚胺等材料形成，正极集流体层101可以由第一金属材料形成，例如，可以将正极集流体层101镀在衬底10上，其厚度为0.5-2μm，优选为1μm。离子导体11包括离子导体层111和凸起部件112，正极导体层12位于正极集流体层101和离子导体层111之间。
在一个具体实现过程中，离子导体11由可以固态电解质形成。例如，该固态电解质可以包括但不限制钠超离子导体NASICON型固态电解质、钙钛矿型固态电解质、石榴石型固态电解质、反钙钛矿型固态电解质、LiPON型固态电解质或硫化物固态电解质。为了减少由于增加正极导体层12厚度，导致电池充放电速率降低，本实施例中，离子导体11可以包括离子导体层111和凸起部件112，并将正极导体层12设置在正极集流体层101和离子导体层111之间，将凸起部件112的一端与离子导体层111相连，将凸起部件112的另一端嵌入正极导体层12，将电子导体13的一端与正极集流体层101相连，电子导体13的另一端嵌入正极导体层12。从而形成三维离子/电子导体13混合网络的锂离子电池正极结构，使正极导体层12能够与凸起部件112和离子导体层111均进行离子交换，并使正极导体层12能够与电子导体13和正极集流体层101均能够进行电子交换，进而提高锂离子电池的充放电速率，增加了锂离子电池的容量和能量密度。其中，离子导体层111厚度可以为1-3μm；凸起部件112的厚度可以为0.7-5.7μm，正极导体层12的厚度可以为1-6μm，电子导体13的厚度可以为0.7-5.7μm。
本实施例中，电子导体13为多个，具体数目可以根据实际需求设置，离子导体11中的凸起部件112同样为多个，其具体数目可以根据实际需求设置，且电子导体13和凸起部件112均优选为圆柱体形状，并将电子导体13和凸起部件112交错排列。例如，本实施例中在制备电子导体13和离子导体11时，均可以通过但不限制于物理气相沉积方法、三维打印方法和模板法中的至少一种进行制备。
在一个具体实现过程中，正极集流体层101可以由第一金属材料形成，电子导体13可以由第二金属材料或者含碳材料形成，第一金属材料与第二金属材料相同或者不同，正极导体层12由钴酸锂、三元正极材料、磷酸铁锂、尖晶石LiMn2O4、富锂正极材料或者金属氧化物形成。例如，第一金属材料可以选取Al、Cu、Au、Pt、Mo等金属及其合金，第二金属材料同样可以选取Cu、Au、Pt等金属。但为例节约成本，本实施例中优选为电子导体13由含碳材料形成，例如，含碳材料可以包括石墨及其高导电碳材料衍生材料。
本实施例的锂离子电池正极结构，通过设置衬底10、离子导体11、正极导体层12和电子导体13，并将离子导体11的凸起部件112和电子导体13分别嵌入正极导体层12，形成三维离子/电子导体13混合网络的锂离子电池正极结构，实现了在不降低活性材料利用率的前提下，增加正极导体层12的厚度。采用本实用新型的技术方案，能够增加锂离子电池的容量和能量密度。
实施例2
本实施例以溅射发制备锂离子电池正极结构为例对本实用新型的技术方案进行说明。具体地，本实施例的锂离子电池正极结构可以按照以下工艺流程进行制备：
(1)、采用镀金(Au)硅片作为锂离子电池正极结构的衬底，按照丙酮、乙醇和去离子水的步骤，分别进行10-30min的超声清洗。清洗完毕，使用气体喷枪吹干衬底基片表面的水分，通过纳米柱掩模板叠加于镀金(Au)硅片上方，并通过螺丝固定，随后将其安装于磁控溅射基片架上。
(2)、将金(Au)靶材安装于磁控溅射装备中。
(3)、按照磁控溅射操作流程，将背底真空气压抽到低于5.0×10-4Pa。
(4)、调整气压、溅射功率和溅射时间。
其中，气压为0.5-1.5Pa，溅射气氛为：氩气；溅射功率为：60-100W。溅射时间为：5-30min。
(5)、按照操作流程，关闭机器
(6)、去除掩模板，得到电子导体。
(7)、将上述电子导体固定于磁控溅射基片架上，使用LiCoO2靶材，按照操作流程安装靶材。
(8)、按照磁控溅射操作流程，将背底真空气压抽到低于5.0×10-4Pa。
(9)、将基底温度升温至100-400℃。
(10)、调整气压、溅射功率和溅射时间。
其中，气压为0.5-1.5Pa，溅射气氛为：氩气和氧气混合气；溅射功率为：80-120W；溅射时间为：5-10h。
(11)、按照操作流程，关闭机器，得到正极导体层。
(12)、将对应纳米柱掩模板叠加于上述所得正极导体层上方，并通过螺丝固定，随后将其安装于磁控溅射基片架上。
(13)、使用Li3PO4靶材，Li3PO4在氮气氛围下制备得到LiPON固态电解质薄膜，LiPON固态电解质不与Li金属反应，其界面稳定性高。按照操作流程安装靶材。
(14)、按照磁控溅射操作流程，将背底真空气压抽到低于5.0×10-4Pa。
(15)、将基底温度升温至25-400℃。
(16)、调整气压、溅射功率和溅射时间。
其中，气压为0.5-1.5Pa，溅射气氛为：氩气与氮气混合气；溅射功率为：80-120W；溅射时间为：3-8h。
(17)溅射完毕后，按照设备关机流程关机，得到三维离子/电子导体混合网络LiCoO2正极膜，作为锂离子电池正极结构。
实施例3
图2为本实用新型的锂离子电池实施例的结构示意图，如图2所示，本实施例的锂离子电池可以包括依次设置的电池包装隔离保护膜、负极流体层、负极导体层和如图1所示的锂离子电池正极结构。
在一个具体实现过程中，电池包装隔离保护膜选自聚酰亚胺等有机膜、Al2O3和SiO2等无机膜、及其有机无机多层复合膜中的一种，其厚度可以为10-30可以为，最优20μm，负极集流体层选自Cu、Au、Pt等金属，其厚度可以为0.5-可以为，最优1可以为，负极导体层选自Si、Li、Li4Ti5O12等，其厚度可以为0.5-3μm。
具体地，本实施例的锂离子电池可以按照以下工艺流程进行制备：
(1)、将实施例二制备得到的锂离子电池正极结构固定于磁控溅射设备基片架上，按照磁控溅射操作流程，将背底真空气压抽到低于5.0×10-4Pa。
(2)、将基底温度升温至100-400℃。
(3)、调整气压、溅射功率和溅射时间。
其中，气压为0.5-1.5Pa，溅射气氛为：氩气与氮气混合气；射功率为：80-120W；溅射时间为：4-8h。
(4)、溅射完毕后，按照设备关机流程关机。
(5)、得到镀有LiPON固态电解质的基片。
(6)、通过电子束蒸发的方式在上述基片上镀Li负极层。
(7)、利用直流溅射方式在上述基片表面溅射一层Au金属。
(8)、按照半导体封装工艺将上述基片进行封装，得到锂离子电池。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池正极结构，其特征在于，包括衬底、离子导体、正极导体层和电子导体；
所述衬底设置有正极集流体层，所述离子导体包括离子导体层和凸起部件；
所述正极导体层位于所述正极集流体层和所述离子导体层之间；
所述凸起部件的一端与所述离子导体层相连，所述凸起部件的另一端嵌入所述正极导体层；
所述电子导体的一端与所述正极集流体层相连，所述电子导体的另一端嵌入所述正极导体层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述离子导体层和所述凸起部件为一体化结构。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述电子导体和所述凸起部件交错排列。
4.根据权利要求1-3任一所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述正极集流体层由第一金属材料形成。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述电子导体由第二金属材料或者含碳材料形成；
所述第一金属材料与所述第二金属材料相同或者不同。
6.根据权利要求1-3任一所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述离子导体层厚度为1-3μm；所述凸起部件的厚度为0.7-5.7μm。
7.根据权利要求1-3任一所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述正极导体层的厚度为1-6μm。
8.根据权利要求1-3任一所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，电子导体的厚度为0.7-5.7μm。
9.根据权利要求1-3任一所述的锂离子电池正极结构，其特征在于，所述离子导体通过物理气相沉积方法、三维打印方法和模板法中的至少一种制备；和/或，所述电子导体通过物理气相沉积方法、三维打印方法和模板法中的至少一种制备。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括依次设置的电池包装隔离保护膜、负极流体层、负极导体层和如权利要求1-9任一所述的锂离子电池正极结构。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108110213A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-06-01 | 北京亦庄材料基因研究院有限公司 | 一种锂离子电池正极结构和锂离子电池 |
| CN108390104A (zh) * | 2018-01-31 | 2018-08-10 | 电子科技大学 | 基于3维离子/电子导体混合网络的薄膜固态锂电池 |
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2017
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