CN207719355U - 集流体结构、锂电池电芯及其锂电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池领域，具体包括集流体结构、锂电池电芯及其锂电池，其中所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，利用具有高压、高容特性的金属氟化物作为正极材料，可获得具有高体积容量密度、高倍率特性的锂电池电芯及锂电池。通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现高容量多个锂电池电芯叠层制备，从而实现大面积全固态锂电池的制备，还可直接利用集流体作为锂电池的电极，从而简化所述锂电池的封装结构。

Description

集流体结构、锂电池电芯及其锂电池

【技术领域】

本实用新型涉及锂电池领域，特别涉及一种集流体结构、锂电池电芯及其锂电池。

【背景技术】

全固态锂电池是由于其安全性、循环性能优良等优点成为二次电池的重要发展方向，同时由于金属锂元素原子半径小、具有最低的电化学势，全固态锂电池相比其他钠离子电池具有更大的市场应用潜力。

影响全固态锂电池性能的三个核心因素是安全性、比容量和高倍率特性。现有技术中，锂电池电芯材料体系采用最为成熟的石墨负极，其理论容量只有270mAh/g，而正极材料是磷酸铁锂、三元材料和钴酸锂等比容量较低的材料，造成电池能量密度只能达到250-300Wh/kg。而当前使用的正极与负极的组合、无法实现大电压充电，造成当前锂电池低倍率的现状。因此，亟待提供针对锂电池低倍率的解决方案。

【实用新型内容】

为克服现有锂电池倍率特性不佳的问题，本实用新型提供了一种集流体结构、锂电池电芯及其锂电池。

本实用新型为解决上述技术问题提供一技术方案如下：一种集流体结构，其包括集流体，所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物的正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

本实用新型为解决上述技术问题提供又一技术方案如下：一种锂电池电芯，其包括第一集流体，该第一集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物正极层，以作为该锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

优选地，所述金属氟化物正极层的厚度为 10nm-100μm；所述金属氟化物正极层中包括Ag、Cu、Li、 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ag、Sn或Bi中的任一种或几种的金属元素组合的氟化物。

优选地，所述锂电池电芯包括第二集流体以及形成在第二集流体面向所述正极层表面的负极层，所述金属氟化物正极层与所述负极层之间的厚度比与组成所述金属氟化物正极层与所述负极层的材料之间的体积比容量呈反比。

优选地，所述正极层包括金属氟化物的柱状晶体；所述负极层包括锂硅碳复合负极层。

优选地，所述锂硅碳复合负极层包括沉积形成在所述负极集流体之上的硅锂复合合金，碳纳米颗粒复合在硅锂复合合金之内。

优选地，所述锂硅碳复合负极层朝向所述正极结构的表面形成一碳基材料层或所述锂硅碳复合负极层朝向所述第二集流体的表面形成一碳基材料层。

优选地，在所述正极层与所述负极层之间形成第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。

优选地，所述锂电池电芯还包括形成在所述第一电解质层面向所述负极层一面上的第二电解质层，所述第二电解质层的厚度为1-3000nm。

本实用新型为解决上述技术问题提供一技术方案如下：一种锂电池，其包括至少两个连续叠层设置的锂电池电芯，直接叠加设置的至少两个锂电池电芯之间共用一正负共极集流体，该正负共极集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物的正极层，以作为其中一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

与现有技术相比，本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及其锂电池，具有如下的有益效果：

本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及锂电池，其中集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物的正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。采用金属氟化物作为正极层，基于其高压及高容的特性，可使所述正极层的体积比容量显著增加，同时也可改善锂电池倍率特性。

进一步地，通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯叠层制备，从而实现大面积全固态锂电池的制备。

利用正负共极的集流体还可降低锂电池电芯、锂电池的整体厚度。进一步地，利用正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯之间为串联连接。当锂电池中锂电池电芯串联连接时，可直接利用集流体作为锂电池的电极，除了可简化所述锂电池的封装结构之外，还可实现同时串联几百个锂电池电芯，从而获得电压可达到千伏且容量较大的锂电池。

在本实用新型中，所述锂电池电芯包括第二集流体以及形成在第二集流体面向所述正极层表面的负极层，所述金属氟化物正极层与所述负极层之间的厚度比与组成所述金属氟化物正极层与所述负极层的材料之间的体积比容量呈反比。基于正极层与负极层材料的不同设置不同的厚度，可进一步提高正极层的利用率，从而可提高锂电池的性能。

在本实用新型中，进一步可将金属氟化物做成柱状晶体结构，采用金属氟化物柱状晶体结构可以为锂离子在充放电的过程中提供畅通的扩散和迁移通道，柱状晶体目的是匹配高性能的负极实现正极材料的最大利用，提高锂嵌入和脱出的效率。所述锂电池电芯及锂电池可进一步采用直接在负极集流体面向正极结构的一面上形成的锂硅碳复合负极层。采用金属氟化物柱状晶体正极材料与锂硅碳复合负极材料相匹配，可提高正极层的利用率，并可进一步获得高压高容锂电池的制备。

本实用新型所提供的的锂电池电芯及锂电池，其还包括一碳基材料层，所述碳基材料层可形成于负极层与所述第二集流体之间形成一碳基材料层或所述碳基材料层可形成于所述负极层朝向所述正极结构的一面上。所述碳基材料层的设置可增强导电性，从而提高所述锂电池电芯及锂电池的稳定性和安全性。

本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述柱状晶体正极层与所述负极层之间填充形成第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。所述第一电解质层可包覆所述柱状晶体正极层。本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述第一电解质层的表面还可形成一第二电解质层。所述第二电解质层的设置，可进一步提高所述电解质层的平整度，从而可提高负极表面电场分布均匀度，同时也可增加电解质层的硬度，防止正负极接触而造成短路。

【附图说明】

图1是本实用新型第一实施例所提供的集流体结构的层结构示意图。

图2是本实用新型第二实施例所提供的锂电池电芯的层结构示意图。

图3是图2中所示另一实施方式的锂电池电芯的层结构示意图。

图4是图2中所示又一实施方式的锂电池电芯的层结构示意图。

图5A是本实用新型第三实施例所提供的锂电池电芯其中一具体实施方式的层结构示意图。

图5B是本实用新型第三实施例所提供的锂电池电芯另一一具体实施方式的层结构示意图。

图6是本实用新型第四实施例所提供的锂电池的结构示意图。

图7是本实用新型第五实施例所提供的锂电池的结构示意图。

图8是本实用新型第六实施例所提供的锂电池的结构示意图。

图9是本实用新型第七实施例所提供的锂电池的制备方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型的第一实施例提供一种集流体结构100，所述集流体结构100包括一集流体101，所述集流体101包括两个相对的主表面109，其中一个主表面 109上形成正极层102，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面109上形成负极层103，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

在本实用新型中，所述正极层102可为包括金属氟化物，其中金属元素包括Ag、Cu、Li、Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co、Ni、Zn、Ag、Sn或Bi中的任一种或几种的组合。具体地，所述金属氟化物为AgCuF₃、LiF、TiF₃、VF₃、CrF₃、 MnF₃、MnF₂、FeF₃、FeF₂、CoF₂、NiF₂、CuF₂、ZnF₂、 AgF₂、SnF₂、BiF₃等金属氟化物中的一种或多种的组合。

所述负极层103可包括但不受限于：碳负极材料、钛酸锂、合金类负极材料、过渡金属氧化物负极材料等。如具体地，在本实用新型中，可选用锂硅碳材料作为负极材料。

本实用新型此处及以下所有实施例中，针对所述集流体材质的限定如下：所述集流体可包括Cu、Al、Ni、Ag、 Au、Cr、Ta、Ti、Mo等其它金属中的一种或几种的组合所获得的单质金属或金属合金。

请参阅图2，本实用新型的第二实施例提供一种锂电池电芯10，其包括第一集流体11及第二集流体12，其中，所述第一集流体11包括两个相对的主表面110，其中一个主表面110上形成正极层111，以作为所述锂电池电芯10 的正极结构，另一主表面上形成负极层112，以作为另一锂电池电芯10的负极结构。所述第二集流体12同样也包括两个相对的主表面120，其中一个主表面120上形成负极层 121，以作为所述锂电池电芯10的负极结构，而在所述第二集流体12的另一主表面上形成正极层122，以作为另一锂电池电芯10的正极结构。

在本实用新型中，所述第一集流体11与所述第二集流体12的厚度为10nm-100μm，具体地，所述第一集流体11 与所述第二集流体12的厚度还可为10nm、15nm、20nm、 26nm、56nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、 1μm、19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、76μm、89μm 或100μm。

在本实用新型中，为了使所述锂电池电芯10的具有更优异的性能，提高正极层111的利用率，在本实用新型一些的实施例中，可进一步对所述正极层111与负极层121 的厚度关系进行限定。具体地，所述正极层111与负极层 121之间厚度关系与两者所选用的材料相关。

其关系可表示如下公式(1)：

ρ_正×V_正＝ρ_负×V_负

ρ_正×S_正×D_正＝ρ_负×S_负×D_负 (1)

其中，ρ_正表示为正极层111的体积容量密度，ρ_负表示为负极层121的体积容量密度；V_正表示为正极层111的体积，V_负表示为负极层121的体积；

S_正表示为正极层111的面积，D_正表示为正极层111的厚度，S_负表示为负极层121的面积，D_负表示为负极层121 的厚度。

由上述公式可知，在同一个锂电池电芯内，所述正极层111与所述负极层121的面积S_正与面积S_负相等，因此，所述正极层111与所述负极层121的厚度与其材料的体积比容量大小呈反比。

在本实用新型一些实施例中，则所述正极层111与所述负极层121的厚度之比可为0.01-100。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述正极层111 的厚度为10nm-100μm；具体地，所述正极层111的厚度可进一步为：可为10nm、15nm、20nm、24nm、56nm、143nm、 350nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm、 50μm、61μm、76μm、89μm或100μm。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述负极层121 的厚度为2nm-100μm；上述负极层121的厚度可具体为： 2nm、5nm、8nm、20nm、10nm、15nm、20nm、24nm、 56nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、1μm、 19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、76μm、89μm或100μm。

如当所述正极层111包括AgCuF₃柱状晶体，而所述负极层121包括锂硅碳复合负极材料时，所述正极层111与所述负极层121之间的厚度比为2:1、1.5:1、1:1等。

在本实施例一些具体的实施方式中，如图3中所示，上述正极层111可包括具有柱状晶体结构的金属氟化物，所述正极层112包括至少一层柱状晶体。

所述正极层111包括金属氟化物的柱状晶体，且该柱状晶体呈规律排布。因此，可为锂离子在充放电的过程中提供通畅的扩散和迁移通道，以利于锂的嵌入及脱出，从而改善锂电池的倍率特性，并可使所述正极层111具有较高的体积容量密度。

具体地，相邻设置的所述金属氟化物的柱状晶体之间无间隙致密排布。当金属氟化物的柱状晶体之间的间隙趋向于零时，则在同样面积的范围内可设置的所述柱状晶体的数量越多，则可进一步提高由其所制备获得的正极结构的体积容量密度。

本实用新型此处及以下所述柱状晶体的尺寸是指沿所述正极结构厚度方向的尺寸大小。所述柱状晶体的尺寸为1nm-100μm。在本实用新型一些具体的实施例中，所述柱状晶体的尺寸具体为1nm、3nm、5nm、7nm、10nm、17nm、 23nm、26nm、46nm、57nm、101nm、143nm、350nm、567nm、 778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、 76μm、89μm或100μm。

在本实用新型一些具体实施方式中，所述正极层111 和所述负极层121均可采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积以及原子层沉积等PVD技术，在第一集流体11一表面上沉积形成。

在本实施例中，当所述负极层121包括锂硅碳复合负极材料时，所述负极层121可采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积以及原子层沉积等PVD技术沉积形成硅锂复合合金，进一步采用热压技术将碳纳米颗粒复合在硅锂复合合金之内制备而成。

具体地，在进行热压之前，可以将碳纳米颗粒溶解在锂盐溶液中形成涂覆浆料后，涂覆于锂-硅复合负极表面，然后用耐高温腐蚀基板对其加热和加压，以使浆料热压进入锂-硅合金之内，在高温的作用下，浆料溶液会发散尽，从而获得所需的锂硅碳复合负极层。进一步如图2中所示，在本实施例的第一具体实施方式中，在所述锂电池电芯10 中，所述正极层111为薄膜平面正极层。在所述正极层111 与所述负极层121之间形成第一电解质层13，其中，所述第一电解质层13的厚度为1nm-50μm。具体地，所述第一电解质层的厚度可为1nm、3nm、5nm、7nm、10nm、15nm、 26nm、31nm、46nm、57nm、101nm、147nm、250nm、356nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm或50μm。

进一步如图3中所示，在本实施例的第二具体实施方式中，在所述锂电池电芯10中，所述正极层111包括金属氟化物的柱状晶体，所述柱状晶体规整排列。在所述正极层111与所述负极层121之间形成包覆所述柱状晶体表面的第一电解质层13。

与现有技术中，与直接在锂电池的正负极材料之间填充电解质材料不同。在本实施方式中，所述正极层11采用柱状晶粒，其具有较大表面积，故形成第一电解质层13 可为锂电池中的电解质与正极层111之间提供更多的反应界面，因此，有利于电池充放电过程的完全反应。进一步地，所述第一电解质层13厚度较大时，所述第一电解质层 13的表面均匀，从而可保证负极层121的表面电场也均匀分布。

请继续参阅图4，在本实施例的第三具体实施方式中，其与上述第一具体实施方式的区别在于：当所述第一电解质层13表面不均匀时，则在所述锂电池电芯10中还包括形成在所述第一电解质层13之上的第二电解质层14，所述第二电解质层14的厚度为1-3000nm。具体地，所述第二电解质层14的厚度为1nm、3nm、5nm、7nm、10nm、17nm、23nm、26nm、46nm、57nm、101nm、143nm、350nm、567nm、 778nm、983nm、1000nm、1500nm、2100nm、2189nm或3000nm。

在本实用新型中，所述第二电解质层14的设置是为了填补所述第一电解质层13厚度分布不均匀的部分，从而帮助所述负极层121的表面电场均匀分布，还可进一步增加电解质层的硬度，防止正负极接触造成短路。

在本实用新型中，所述第一电解质层13与第二电解质层14的材质包括钙钛型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质、LiGePS型硫化物固态电解质、LiSiPS型硫化物固态电解质或LiSnPS型硫化物固态电解质一种或几种的组合。

请继续参阅图5A及图5B，本实用新型的第三实施例提供一种锂电池电芯20，本实施例与上述第二实施例的区别在于：所述锂电池电芯20还包括一碳基材料层29。所述碳基材料层29具体为石墨薄层、碳纳米管、石墨烯薄膜层、足球烯薄膜层等，在此仅作为实例，不作为本实用新型的限定。

所述碳基材料层29的作用是改善负极表面的电场分布，增强导电性，有助于锂负极的嵌入或脱出，以及可避免锂负极形成锂枝晶。

如图5A中所示，在本实用新型一些实施例中，可在所述负极层221面向第一电解质层23的表面形成所述碳基材料层29。

如图5B中所示，在本实用新型另外的一些实施例中，所述碳基材料层29可设置在所述负极层221与第二集流体 22之间。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述碳基材料层 29是通过热压工艺形成于负极层221面向第一电解质层23 或面向所述第二集流体22的表面，因此，所述碳基材料层29会在所述负极层221的内部实现一定深度的梯度碳材料分布，并在一定程度上对负极层221形成包覆和支撑，增强负极层221的强度，避免负极层221的结构崩塌。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述碳基材料层 29还可通过涂布的方式在所述负极层221面向第一电解质层23或面向所述第二集流体22的表面上形成所需要厚度的碳基材料层29。

请参阅图6，本实用新型第四实施例提供一锂电池30，所述锂电池30可包括两个连续叠层设置的第一锂电池电芯301及第二锂电池电芯302，直接叠加设置的两个锂电池电芯10或锂电池电芯20之间共用一正负共极集流体31，该正负共极集流体31包括两个相对的主表面310，其中一个主表面310上形成正极层311，以作为第一锂电池电芯301 的正极结构，另一主表面310上形成负极层312，以作为第二锂电池电芯302的负极结构。

继续如图6中所示，在所述第一锂电池电芯301中还包括负极集流体32，所述第二锂电池电芯302包括正极集流体35。其中，负极集流体32上面向正极层311一侧形成有负极层321，所述正极集流体35面向所述正负共极集流体 31的表面设有正极层351，其中，有关负极层321及正极层 351的相关限定如上述第二实施例及第三实施例中所示，在此不再赘述。

在本实施例的一些具体实施方式中，所述第一锂电池电芯301中还包括设置在柱状晶体正极层311及负极层321 之间填充形成的第一电解质层33、以及形成在第一电解质层33面向所述负极层312的表面上的第二电解质层34。

所述第二锂电池电芯302还包括在正极层351及负极层312之间填充形成的第一电解质层33，以及形成在第一电解质层33面向所述负极层321的表面上的第二电解质层 34，所述负极层312朝向所述第二电解质层34的表面还可进一步包括一碳基材料层39。

在本实用新型另外的实施例中，所述第一锂电池电芯 301及所述第二锂电池电芯302可为上述第二实施例或第三实施例中任一种锂电池电芯10或锂电池电芯20，其具体层结构可依据实际电池性能需求做调整，上述仅作为举例，不作为本实用新型的限定。

在本实用新型另外的一些实施例中，当所述锂电池30 中还可包括两个以上的锂电池电芯10，至少部分锂电池电芯10通过连续叠层设置形成一个整体，设置在连续叠层设置的中间的锂电池电芯10共用集流体，而设置在两端的锂电池电芯10的集流体仅起到正极集流体或负极集流体的作用。

具体请参阅图7，本实用新型的第五实施例提供一锂电池40，所述锂电池40包括多个锂电池电芯10连续叠层设置。所述锂电池40可通过逐层叠加的方式制成，其具体锂电池电芯10的叠合数量不受限制，其叠合数量可为几十个、几百个等。

所述锂电池电芯10包括叠合设置的第一集流体41、正极层44、固态电解质层43、负极层45及第二集流体42。相邻设置的锂电池电芯10通过共用一个正极集流体41或负极集流体42叠合在一起。

如图7中所示，相邻设置的两个锂电池电芯10的叠加处共用第二集流体42，即，第二集流体42为正负共极集流体。如图7中所示，设置在第二集流体42两侧的分别为正极层44及负极层45。如图7中所示，多个锂电池电芯40 之间可为串联连接。当锂电池中锂电池电芯串联连接时，可直接利用集流体作为锂电池的电极，从而简化所述锂电池的封装结构。

请参阅图8，在本实用新型的第六实施例提供一锂电池50，在本实施例中，所述锂电池50中包括5个锂电池电芯，分别为依次叠层设置的第一锂电池电芯501、第二锂电池电芯502、第三锂电池电芯503、第四锂电池电芯504 及第五锂电池电芯505。如图8中所示，以上述多个锂电池电芯均可包括：第一集流体51、正极层54、固态电解质层53、负极层55及第二集流体52。

如图8中所示，第一锂电池电芯501与第二锂电池电芯 502之间共用第二集流体52，所述第二集流体52的两个相对的主表面上均设置负极层55，可见，第一锂电池电芯 501与第二锂电池电芯502之间可为并联连接。

在第二锂电池电芯502与第三锂电池503之间，同样也共用第二集流体52，而在所述第二集流体52的两个相对的主表面上分别设置正极层54及负极层55，可见，第二锂电池电芯502与第三锂电池电芯503之间可为串联连接。

进一步地，在第三锂电池电芯503的第二集流体532 与第四锂电池电芯504的第一集流体541叠合设置，且第一集流体532与第二集流体541分别表示为所述第三锂电池电芯503及所述第四锂电池电芯504的正极集流体或负极集流体。可见，所述第三锂电池电芯503与所述第四锂电池电芯504可通过外界电路形成并联连接关系。

在本实施例中，上述正极层54与负极层55、第一集流体51及第二集流体52的相对位置可调整。

图8中所示仅为实例，在实际的锂电池50中，其具体连接方式可依据实际锂电池的性能要求做调整，在此不作为本实用新型的限定。

请继续参阅图9，本实用新型的第七实施例提供一锂电池的制备方法S10，其中一个具体实施方式包括如下的步骤：

步骤S11，提供一第一集流体，在第一集流体的其中一面之上形成金属氟化物正极层；

步骤S12，在金属氟化物正极层远离第一集流体的表面通过包覆形成第一电解质层；

步骤S13，在所述第一电解质层的表面形成第二电解质层；

步骤S14，在第二电解质层远离所述第一电解质层的表面形成碳基材料层；

步骤S15，在所述碳基材料层远离所述第二电解质层的表面形成负极层；

步骤S16，在所述负极层远离所述碳基材料层的表面形成第二集流体。

至此，上述步骤S11至步骤S16完成了单个锂电池电芯的制备。

在本实施例另外的一些实施方式中，上述步骤S14- 步骤S16可为：

步骤S14b：在第二电解质层远离所述第一电解质层的表面形成负极层；

步骤S15b，在所述负极层远离所述第二电解质层的表面形成碳基材料层；

步骤S16b，在所述碳基材料层远离所述碳基材料层的表面形成第二集流体。

为了继续获得多个锂电池电芯叠加的锂电池，在本实施例一些具体的实施方式中，上述步骤S16或步骤S16b 之后还可包括如下的步骤：

步骤S17a，在第二集流体与设有负极层相对的一面上沉积形成另一锂电池电芯的正极层。

步骤S18a，重复上述步骤S12-步骤S16或步骤S12-步骤S16b，直至锂电池中所包括的锂电池电芯数量达到预定要求。

步骤S19a，对连续叠层设置的多个锂电池电芯进行封装，以获得所需的锂电池。

在本实施例另一些具体的实施方式中，上述步骤S16 之后还可包括如下的步骤：

步骤S17b，在第一集流体设有正极层相对的一面上形成另一个锂电池电芯的负极层；

步骤P18b，在所述负极层之上形成碳基材料层；

步骤P19b，在碳基材料层远离所述负极层的一面上依次形成第二电解质层、第一电解质层；

步骤P20b，在第一电解质层远离所述负极层的表面依次形成正极层、第二集流体；

步骤S21b，在所述第二集流体设有正极层的相对一面上沉积另一锂电池电芯的负极层。

步骤P22b，重复上述步骤P18b-步骤P21b，直至锂电池中所包括的锂电池电芯数量达到预定要求。

步骤S23b，对连续叠层设置的多个锂电池电芯进行封装，以获得所需的锂电池。

具体地，有关上述步骤中针对第一集流体、第二集流体、正极层、负极层、碳基材料层、第一电解质层或第二电解质层厚度、材质选择如上述第二实施例、第三实施例中所述，在此不再赘述。

特别地，在上述锂电池的制备方法S10中，在第一集流体和/或第二集流体之上形成正极层或负极层之前，均需要对第一集流体和/或第二集流体之上表面进行平整化处理，以保证集流体表面平整、没有氧化物表面层。其中，平整化处理可采用化学机械抛光工艺，一磨料加抛光机进行局部抛光和研磨。

需要特别说明的是，制备所述第一电解质层及所述第二电解质层所使用的固态电解质包括钙钛矿型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质、 LiGePS型硫化物固态电解质、LiSiPS型硫化物固态电解质或LiSnPS型硫化物固态电解质一种或几种的组合。

在本实用新型一些具体的实施例中，上述步骤S11中，在集流体之上形成金属氟化物的柱状晶体正极层可利用磁控溅射掠入射的方法制备：

(1)将基片置入磁控溅射腔体中，设置垂直基片方向和垂直靶材方向的夹角大于45°，基底水冷保持室温；

(2)抽真空至10^-5Pa，通入氩气，调节腔体工作气压至2Pa开始沉积磷酸铁锂正极材料；

(3)同时基片自转，沉积50分钟后，形成2微米金属氟化物的柱状晶体。

上述针对金属氟化物的柱状晶体正极层制备方法仅作为示例，不作为本实用新型的限定。

在本实用新型第八实施例中进一步提供一种锂电池的制备方法P60，其与上述第七实施例的区别在于：其先在一集流体结构的上下表面分别形成正极层及负极层。所述负极层及所述正极层可同时制备或依次制备。

所述锂电池的制备方法P60具体包括如下的步骤：

步骤P11，提供一第一集流体，在第一集流体的其中一面之上沉积金属氟化物正极层，在集流体的另一面沉积锂硅碳复合负极；

在步骤P11之后，可包括细分为如下两种方式：

第一种为在沉积有金属氟化物正极层的一面作为基材层，并在其上继续形成所需功能层。

步骤P12a，依次在所述金属氟化物正极层之上形成第一电解质层、第二电解质层；

步骤P13a，在第二电解质层远离所述正极层的一面上形成碳基材料层；

步骤P14a，在碳基材料层远离所述第二电解质层的面上形成负极层。

步骤P15a，在负极层远离所述碳基材料层的面上形成第二集流体。

第二种为在沉积有锂硅碳复合负极层的一面作为基材层，并在其上继续形成所需功能层。

步骤P12b，在所述锂硅碳复合负极层之上形成碳基材料层；

步骤P13b，在碳基材料层远离所述负极层的一面上依次形成第二电解质层、第一电解质层；

步骤P14b，在第一电解质层远离所述负极层的表面依次形成正极层、第二集流体；

上述步骤P11之后，在沉积有金属氟化物正极层的一面逐层沉积所需功能层或在沉积有金属氟化物正极层的一面逐层沉积所需功能层的先后顺序不受限制，可依次进行，也可同时进行。

进一步地，上述步骤P12a-步骤P15与步骤P12b-步骤 P14b可重复进行，以至完成所需锂电池电芯数量的锂电池而停止。

在本实施中，所述碳基材料层也可形成在所述锂硅碳复合负极层远离所述第二电解质层的一面之上，其具体的位置可依据实际的需求做调整，在此不作为本实用新型的限定。

具体地，有关上述步骤中针对第一集流体、第二集流体、正极层、负极层、碳基材料层、第一电解质层或第二电解质层厚度、材质选择如上述第二实施例、第三实施例中所述，在此不再赘述。

与现有技术相比，本实用新型所提供的集流体结构及其锂电池电芯、锂电池，具有如下的有益效果：

本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及锂电池，其中集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物的正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。采用金属氟化物作为正极层，基于其高压及高容的特性，可使所述正极层材料的体积比容量显著增加，同时也可改善锂电池倍率特性。

进一步地，通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯叠层制备，从而实现大面积全固态锂电池的制备。

利用正负共极的集流体还可降低锂电池电芯、锂电池的整体厚度。进一步地，利用正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯之间为串联连接。当锂电池中锂电池电芯串联连接时，可直接利用集流体作为锂电池的电极，除了可简化所述锂电池的封装结构之外，还可实现同时串联几百个锂电池电芯，从而获得电压可达到千伏且容量较大的锂电池。

在本实用新型中，所述锂电池电芯包括第二集流体以及形成在第二集流体面向所述正极层表面的负极层，所述金属氟化物正极层与所述负极层之间的厚度比与组成所述金属氟化物正极层与所述负极层的材料之间的体积比容量呈反比。基于正极层与负极层材料的不同设置不同的厚度，可进一步提高正极层的利用率，从而可提高锂电池的性能。

在本实用新型中，进一步可将金属氟化制作成柱状晶体结构，采用金属氟化物柱状晶体结构可以为锂离子在充放电的过程中提供畅通的扩散和迁移通道，柱状晶体目的是匹配高性能的负极实现正极材料的最大利用，提高锂嵌入和脱出的效率。所述锂电池电芯及锂电池可进一步采用直接在负极集流体面向正极结构的一面上形成的锂硅碳复合负极层。采用金属氟化物柱状晶体正极材料与锂硅碳复合负极材料相匹配，可提高正极层的利用率，并可进一步获得高压高容锂电池的制备。

本实用新型所提供的锂电池电芯及锂电池，其还包括一碳基材料层，所述碳基材料层可形成于负极层与所述第二集流体之间形成一碳基材料层或所述碳基材料层可形成于所述负极层朝向所述正极结构的一面上。所述碳基材料层的设置可增强导电性，从而提高所述锂电池电芯及锂电池的稳定性和安全性。

本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述柱状晶体正极层与所述负极层之间填充形成第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。所述第一电解质层可包覆所述柱状晶体正极层。本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述第一电解质层的表面还可形成一第二电解质层。所述第二电解质层的设置，可进一步提高所述电解质层的平整度，从而可提高负极表面电场分布均匀度，同时也可增加电解质层的硬度，防止正负极接触而造成短路。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集流体结构，其特征在于：包括集流体，所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物的正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

2.一种锂电池电芯，其特征在于：其包括第一集流体，该第一集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物正极层，以作为该锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

3.如权利要求2中所述锂电池电芯，其特征在于：所述金属氟化物正极层的厚度为10nm-100μm；所述金属氟化物正极层中包括Ag、Cu、Li、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ag、Sn或Bi中的任一种或几种的金属元素组合的氟化物。

4.如权利要求2中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂电池电芯包括第二集流体以及形成在第二集流体面向所述正极层表面的负极层，所述金属氟化物正极层与所述负极层之间的厚度比与组成所述金属氟化物正极层与所述负极层的材料之间的体积比容量呈反比。

5.如权利要求4中所述锂电池电芯，其特征在于：所述正极层包括金属氟化物的柱状晶体；所述负极层包括锂硅碳复合负极层。

6.如权利要求5中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂硅碳复合负极层包括沉积形成在所述负极集流体之上的硅锂复合合金，碳纳米颗粒复合在硅锂复合合金之内。

7.如权利要求5中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂硅碳复合负极层朝向所述正极结构的表面形成一碳基材料层或所述锂硅碳复合负极层朝向所述第二集流体的表面形成一碳基材料层。

8.如权利要求4中所述锂电池电芯，其特征在于：在所述正极层与所述负极层之间形成第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。

9.如权利要求8中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂电池电芯还包括形成在所述第一电解质层面向所述负极层一面上的第二电解质层，所述第二电解质层的厚度为1-3000nm。

10.一种锂电池，其特征在于：其包括至少两个连续叠层设置的锂电池电芯，直接叠加设置的至少两个锂电池电芯之间共用一正负共极集流体，该正负共极集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成金属氟化物的正极层，以作为其中一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。