CN219180546U - 固态电池结构、电池包和车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种固态电池结构、电池包和车辆，所述固态电池结构包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片相对设置；固态电解质层，所述固态电解质层设置于所述正极片和所述负极片之间，所述负极片包括负极活性层、补锂层和高分子层，所述高分子层设置于所述负极活性层和所述补锂层之间。在固态电池结构中，固态电解质层设置于所述正极片和所述负极片之间以将正极片和负极片隔开，而负极片包括负极活性层、补锂层和高分子层，补锂层可以给负极活性层与正极片之间的离子交换提供足够的锂源，以提高固态电池结构的循环效率和容量。

Description

固态电池结构、电池包和车辆

技术领域

本实用新型属于电池结构技术领域，具体地，本实用新型涉及一种固态电池结构、电池包和车辆。

背景技术

在电池的应用领域，固态电池由于使用固体电解质替代了传统锂电池的电解液和隔膜，使其具有高电压、高能量密度和长循环寿命等优势。

现有技术中，固态电池的循环效率是影响固态电池性能的重要因素，而固态电池的循环效率会因不可逆锂化合物形成和固态电解质与极片间的“界面效应”而快速降低，进而降低了固态电池的循环效率，影响了固态电池的容量和能量密度。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种固态电池结构、电池包和车辆的新技术方案，能够解决现有电池效率和容量低的问题。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种固态电池结构，包括：

正极片和负极片，所述正极片和所述负极片相对设置；

固态电解质层，所述固态电解质层设置于所述正极片和所述负极片之间；

所述负极片包括负极活性层、补锂层和高分子层，所述负极活性层和所述补锂层层叠设置并且所述负极活性层位于所述固态电解质层和所述补锂层之间，所述高分子层设置于所述负极活性层和所述补锂层之间。

可选地，所述固态电解质层包括第一电解质层和第二电解质层，所述第一电解质层为氧化物电解质层，所述第二电解质层为聚合物电解质层，所述第一电解质层和第二电解质层层叠设置并夹设于所述正极片和所述负极片之间，且所述第二电解质层靠近所述负极片设置。

可选地，所述固态电解质层包括一层所述第一电解质层和两层所述第二电解质层，两层所述第二电解质层分别设置于一层所述第一电解质层的两侧表面。

可选地，所述第一电解质层的厚度范围为5-15μm；

所述第二电解质层的厚度范围为5-15μm。

可选地，所述正极片包括正极活性层、正极集流体层和正极附着层，所述正极附着层设置于所述正极集流体层的表面，所述正极活性层设置于所述正极附着层远离所述正极集流体层的一侧。

可选地，所述正极附着层为石墨烯层，所述正极附着层的厚度范围为1nm-10nm。

可选地，所述负极片还包括负极集流体层和负极附着层，所述负极附着层设置于所述负极集流体层的表面，所述补锂层设置于所述负极附着层远离所述负极集流体层的一侧。

可选地，所述负极附着层为石墨烯层，所述负极附着层的厚度范围为1nm-10nm。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种电池包，包括第一方面所述的固态电池结构。

根据本实用新型的第三方面，提供了一种车辆，包括第二方面所述的电池包。

本实用新型的一个技术效果在于：

本实用新型提供了一种固态电池结构，所述固态电池结构包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片相对设置；固态电解质层，所述固态电解质层设置于所述正极片和所述负极片之间，所述负极片包括负极活性层、补锂层和高分子层，所述高分子层设置于所述负极活性层和所述补锂层之间。在固态电池结构中，固态电解质层设置于所述正极片和所述负极片之间以将正极片和负极片隔开，而负极片包括负极活性层、补锂层和高分子层，补锂层可以给负极活性层与正极片之间的离子交换提供足够的锂源，以提高固态电池结构的循环效率和容量；通过以高分子层将补锂层和负极活性层分隔，当固态电池体系内的锂离子含量因不可逆锂化合物形成而快速降低时，固态电池内极化增大迫使高分子层隔开的补锂层脱嵌锂离子，从而对固态电池体系进行补锂作用，能够改善固态电池的循环效率和容量。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1为本实用新型实施例提供的一种固态电池结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种固态电池结构的结构示意图。

其中：

1、正极片；11、正极活性层；12、正极集流体层；13、正极附着层；

2、负极片；21、负极活性层；22、补锂层；23、高分子层；24、负极集流体层；25、负极附着层；

3、固态电解质层；31、第一电解质层；32、第二电解质层。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参照图1和图2，本实用新型实施例提供了一种固态电池结构、电池包和车辆。

本实用新型实施例提供了一种固态电池结构，所述固态电池结构包括：

正极片1和负极片2，所述正极片1和所述负极片2相对设置；

固态电解质层3，所述固态电解质层3设置于所述正极片1和所述负极片2之间，以在正极片1和负极片2之间进行离子传输的基础上，有效地将正极片1和负极片2隔开，避免正极片1和负极片2之间因为直接接触而短路。

参见图1，所述负极片2包括负极活性层21、补锂层22和高分子层23，所述负极活性层21和所述补锂层22层叠设置，并且所述负极活性层21位于所述固态电解质层3和所述补锂层22之间，所述高分子层23设置于所述负极活性层21和所述补锂层22之间。

具体地，负极活性层21位于固态电解质层3和补锂层22之间时，也就是负极活性层21靠近固态电解质层3设置，而补锂层22位于负极活性层21远离固态电解质层3的一侧，补锂层22的电导率大于负极活性层21的电导率，优选地，补锂层22为金属锂层。通过将补锂层22置于负极活性层21和负极集流体层24之间，与负极活性层21以高分子层23分隔。与传统将补锂剂置于极片表面或材料微观表面，并以此提高负极材料的首次库伦效率，即改善活性物质的首次锂离子嵌入及脱出的可逆性的方案相比，本申请的技术方案还能将补锂层22作为固态电池循环过程中的锂离子补充源。

通过以高分子层23将补锂层22和负极活性层21分隔，当固态电池体系内的锂离子含量因不可逆锂化合物形成而快速降低时，固态电池内极化增大迫使高分子层23分隔的补锂层22脱嵌锂离子，从而对固态电池体系进行补锂作用。可一定程度上改善电池的循环效率和容量；进一步地，在固态电池结构的多次循环过程中，补锂层22在补锂的同时可以改善固态电池内阻，降低固态电池因内阻过大而产生的发热现象。优选地，高分子层23为导电高分子层。而且所述高分子层23设置于所述负极活性层21和所述补锂层22之间时，可以对负极活性层21和补锂层22形成防护，保证负极活性层21和补锂层22的结构完整性。

本实用新型提供的固态电池结构中，固态电解质层3设置于所述正极片1和所述负极片2之间以将正极片1和负极片2隔开，而负极片2包括负极活性层21、补锂层22和高分子层23，补锂层22可以给负极活性层21与正极片1之间的离子交换提供足够的锂源，以提高固态电池结构的循环效率和容量；而且高分子层23设置于所述负极活性层21和所述补锂层22之间时，可以对负极活性层21和补锂层22起到很好的防护作用。

另外，所述负极活性层21具体可以为石墨层、硅碳层、硅氧层和金属锂层中的一层或者多层的组合；所述补锂层22可以为金属锂层，所述高分子层23可以为聚吡咯层、聚乙炔层、聚噻吩层、聚苯乙炔层和聚苯胺层中的一层或多层组的合，上述材料形成的高分子层23同时具有较好的导电性，可以在避免负极活性层21和补锂层22毛刺产生的基础上，较好地将负极活性层21和补锂层22的电化学性能持续发挥，进一步改善固态电池结构形成的全电池的库伦效率和循环寿命。

可选地，参见图2，所述固态电解质层3包括第一电解质层31和第二电解质层32，所述第一电解质层31为氧化物电解质层，所述第二电解质层32为聚合物电解质层，所述第一电解质层31和第二电解质层32层叠设置并夹设于所述正极片1和所述负极片2之间，且所述第一电解质层31靠近所述正极片1设置，所述第二电解质层32靠近所述负极片2设置。

具体地，借助于氧化物电解质层的物理化学稳定性好和电导率较高的特点，可以设置第一电解质层31为氧化物电解质层来提高固态电解质层3的稳定性,但由于氧化物固态电解质脆性较大，在第一电解质层31设置于正极片和负极片之间时与极片的接触面积较小，导致第一电解质层31与极片之间的“界面效应”严重，造成固态电解质层3锂离子传输电阻较大；而第二电解质层32为聚合物电解质层时，聚合物固态电解质可以发挥其优良的加工性能，以较好的弥补氧化物固态电解质加工难度大的问题，可以增加固态电解质层3与负极片的接触面积，增加锂离子在固态电解质层3与负极片之间传输的通道，降低锂离子传输的电阻。

另外，参见图2，第二电解质层32靠近所述负极片2时，可以利用第二电解质层32也即聚合物电解质层形成的固态电解质层3可以较好的抑制锂枝晶的生成，保证负极片的结构完整性，提升固态电池结构的可逆容量。

可选地，参见图1，所述固态电解质层3包括一层所述第一电解质层31和两层所述第二电解质层32，两层所述第二电解质层32分别设置于一层所述第一电解质层31的两侧表面。

具体地，固态电解质层3可以包括层叠设置的第一电解质层31和第二电解质层32，比如固态电解质层3包括一层第一电解质层31和一层第二电解质层32；而为了提高固态电解质层3与正极片1和负极片2之间接触的面积，可以设置两层所述第二电解质层32分别设置于一层所述第一电解质层31的两侧表面，使得两层第二电解质层32中一层第二电解质层32靠近正极片1的活性物质层，而另一层第二电解质层32靠近负极片2的活性物质层，以增加固态电解质层3与正极片1和负极片2之间的接触面积，提升锂离子在固态电解质层3与负极片之间传输的通道。

而且第二电解质层32能够降低固态电池结构因固态电解质存在而增加的内阻，一定程度上降低固态电池结构因大功率充放电而发生过热的风险，进而确保正极片1和负极片2上活性材料容量发挥的稳定性。

另外，两层分别设置于第一电解质层31的两侧表面的第二电解质层32中，两层第二电解质层32的厚度可以相同，也可以不同；而且层第二电解质层32的材质可以相同，也可以不同。

可选地，所述第一电解质层31的厚度范围为5-15μm；

所述第二电解质层32的厚度范围为5-15μm。

具体地，第一电解质层31可以为钙钛矿层、石榴石层和钠超离子导体层(NASICON)中的一层或者多层的组合，第二电解质层32可以为PEO层、碳纳米管层、聚碳酸酯层和聚烷氧基层中的一层或者多层层叠的组合，而且第二电解质层32可以通过辊压方式与极片上的活性物质复合，以提高固态电解质层3与正极片1和负极片2之间的接触面积。

在一种实施例中，固态电解质层3包括一层第一电解质层31和两层第二电解质层32，两层第二电解质层32分别设置于第一电解质层31的两侧表面，第一电解质层31为Li₇La₃Zr₂O₁₂层，并且第一电解质层31的厚度为10μm；靠近负极片一侧的第二电解质层32的厚度为5μm，该第二电解质层32选用LLZO(锂镧锆氧化物)层；靠近正极片一侧的第二电解质层32的厚度为8μm，该第二电解质层32选用PEO(聚环氧乙烷)层。

可选地，参见图1，所述正极片1包括正极活性层11、正极集流体层12和正极附着层13，所述正极附着层13设置于所述正极集流体层12的表面，所述正极活性层11设置于所述正极附着层13远离所述正极集流体层12的一侧。

具体地，正极附着层13可以为碳膜层，在正极活性层11和正极集流体层12之间增加碳膜层的情况下，可以改善正极活性层11的浆料或粉末对正极集流体层12的依附性，保证附着在正极集流体层12上的正极活性层11的结构稳定性。

另外，正极活性层11可以为三元材料层、磷酸铁锂材料层、磷酸锰铁锂材料层的一层或多层的组合。

可选地，参见图1，所述正极附着层13为石墨烯层，所述正极附着层13的厚度范围为1nm-10nm。

具体地，在将石墨烯层设置于正极活性层11和正极集流体层12之间的情况下，可以借助石墨烯层在正极集流体层12良好的吸附性能以及石墨烯层与正极活性层11的复合强度，保证正极活性层11上正极集流体层12性能的稳定发挥；进一步地，正极附着层13的厚度优选3nm-8nm，较薄的石墨烯层形成的正极附着层13可以确保正极片1表层较低的面电阻，提升正极片1的电子电导以及固态电池结构的倍率性能。

可选地，参见图1，所述负极片2包括负极集流体层24和负极附着层25，所述负极附着层25设置于所述负极集流体层24的表面，所述补锂层22设置于所述负极附着层25远离所述负极集流体层24的一侧。

具体地，负极附着层25也可以为碳膜层，在补锂层22和负极集流体层24之间增加碳膜层的情况下，可以改善补锂层22的浆料或粉末对负极集流体层24的依附性，保证附着在负极集流体层24上的补锂层22的补锂效果和结构稳定性。

可选地，所述负极附着层25为石墨烯层，所述负极附着层25的厚度范围为1nm-10nm。

具体地，在将石墨烯层设置于补锂层22和负极集流体层24之间的情况下，可以借助石墨烯层在负极集流体层24良好的吸附性能以及石墨烯层与补锂层22的复合强度，保证补锂层22上负极集流体层24性能的稳定发挥；进一步地，负极附着层25的厚度优选3nm-8nm，较薄的石墨烯层形成的负极附着层25可以确保负极片2表层较低的面电阻，提升负极片2的电子电导以及固态电池结构的倍率性能。

本实用新型还提供了一种电池包，所述电池包包括所述的固态电池结构。

具体地，所述电池包中可以包括一个或者多个固态电池结构，固态电池结构中的固态电解质层3设置于所述正极片1和所述负极片2之间以将正极片1和负极片2隔开，而负极片2包括负极活性层21、补锂层22和高分子层23，补锂层22可以给负极活性层21与正极片1之间的离子交换提供足够的锂源，以提高电池包的循环效率和容量；而且高分子层23设置于所述负极活性层21和所述补锂层22之间时，可以对负极活性层21和补锂层22起到很好的防护作用，保证电池包运行的稳定性。

本实用新型还提供了一种车辆，所述车辆包括所述的电池包。

具体地，所述电池包在应用于车辆时，电池包可以作为车辆的动力来源，保证车辆的稳定运行。而所述电池包的固态电池结构中，固态电解质层3设置于所述正极片1和所述负极片2之间以将正极片1和负极片2隔开，而负极片2包括负极活性层21、补锂层22和高分子层23，补锂层22可以给负极活性层21与正极片1之间的离子交换提供足够的锂源，以提高电池包的循环效率和容量，保证车辆运行的续航和稳定性。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种固态电池结构，其特征在于，包括：

正极片(1)和负极片(2)，所述正极片(1)和所述负极片(2)相对设置；

固态电解质层(3)，所述固态电解质层(3)设置于所述正极片(1)和所述负极片(2)之间；

所述负极片(2)包括负极活性层(21)、补锂层(22)和高分子层(23)，所述负极活性层(21)和所述补锂层(22)层叠设置并且所述负极活性层(21)位于所述固态电解质层(3)和所述补锂层(22)之间，所述高分子层(23)设置于所述负极活性层(21)和所述补锂层(22)之间。

2.根据权利要求1所述的固态电池结构，其特征在于，所述固态电解质层(3)包括第一电解质层(31)和第二电解质层(32)，所述第一电解质层(31)为氧化物电解质层，所述第二电解质层(32)为聚合物电解质层，所述第一电解质层(31)和第二电解质层(32)层叠设置并夹设于所述正极片(1)和所述负极片(2)之间，且所述第二电解质层(32)靠近所述负极片(2)设置。

3.根据权利要求2所述的固态电池结构，其特征在于，所述固态电解质层(3)包括一层所述第一电解质层(31)和两层所述第二电解质层(32)，两层所述第二电解质层(32)分别设置于一层所述第一电解质层(31)的两侧表面。

4.根据权利要求2或3所述的固态电池结构，其特征在于，所述第一电解质层(31)的厚度范围为5-15μm；

所述第二电解质层(32)的厚度范围为1-15μm。

5.根据权利要求1所述的固态电池结构，其特征在于，所述正极片(1)包括正极活性层(11)、正极集流体层(12)和正极附着层(13)，所述正极附着层(13)设置于所述正极集流体层(12)的表面，所述正极活性层(11)设置于所述正极附着层(13)远离所述正极集流体层(12)的一侧。

6.根据权利要求5所述的固态电池结构，其特征在于，所述正极附着层(13)为石墨烯层，所述正极附着层(13)的厚度范围为1nm-10nm。

7.根据权利要求1所述的固态电池结构，其特征在于，所述负极片(2)还包括负极集流体层(24)和负极附着层(25)，所述负极附着层(25)设置于所述负极集流体层(24)的表面，所述补锂层(22)设置于所述负极附着层(25)远离所述负极集流体层(24)的一侧。

8.根据权利要求7所述的固态电池结构，其特征在于，所述负极附着层(25)为石墨烯层，所述负极附着层(25)的厚度范围为1nm-10nm。

9.一种电池包，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的固态电池结构。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求9所述的电池包。

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