[發明專利]一種3D結構的薄膜鋰電池

有效

• 申請號: 201611102950.0
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106848390B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 陳輝;張健康
• 申請（專利權）人: 東莞市綠駿電動自行車科技有限公司
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/0585;H01M10/052
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種3D結構的薄膜鋰電池，包括硅基體，在硅基體表面兩側分別為正極集流體和負極集流體，在硅基體上加工很多規則排列的微孔，在微孔內沉積Li+擴散阻隔層TiN，然后以硅為負極，為固態電解質，LiCoO₂為正極制成電池，并在硅基體上形成封裝保護層，包覆正極集流體、負極集流體和固態電解質，所述正極集流體、負極集流體均采用多單元包覆疊層電堆結構，均以集流片為主體，集流片與正極、負極之間依次均設有碳膜和隔膜，正極與負極之間為包覆絕緣環，將正極、負極和電解液之間的電解液空間通過包覆絕緣環隔離開來，有效阻止了相臨單元電極間內短路的發生，保證了電池工作電壓的穩定性和放電容量。

技術領域

本發明涉及鋰電池技術領域，具體為一種3D結構的薄膜鋰電池。

背景技術

化學電源發展一直朝著高比能量、長壽命、高安全的方向發展，隨著20世紀90年代鋰離子電池的發明，化學電源的發展邁出了重要的一步。在鋰離子電池研究不斷深入的同時，人們開始嘗試研究比鋰離子電池擁有更高比能量、更長循環壽命、更安全的電池。1983年，K.Kanehori等提出開發全固態無機薄膜鋰電池，其理論上具有比鋰離子電池更高的比能量，也更安全，隨后，人們逐漸開始了無機全固態薄膜鋰電池的研究，以TiS2、MoO1.6S1.8等薄膜為陰極，玻璃態氧化物為電解質的全固態薄膜鋰電池被開發出來，但這些電池性能較差。

發明內容

針對以上問題，本發明提供了一種3D結構的薄膜鋰電池，采用薄膜正極和負極和薄膜固態電解質，無機固態電解質的薄膜形態使離子電導率較低的固態電解質代替液體電解質成為可能，而正極和負極的薄膜形態使其可以應用很多充放電體積變化較大的正極和負極材料，同時，由于薄膜鋰電池的薄膜形態，使其很容易加工成微米級電池，電池結構簡單，加工容易，電化學穩定、熱穩定、抗震、耐沖擊、不存在漏液和污染問題，易于小型化及制成薄膜，采用多單元包覆疊層電堆結構，減少內短路現象的產生，有效阻止了相臨單元電極間內短路的發生，保證了電池工作電壓的穩定性和放電容量，可以有效解決背景技術中的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種3D結構的薄膜鋰電池，包括硅基體，在硅基體表面兩側分別為正極集流體和負極集流體，在硅基體上加工很多規則排列的微孔，在微孔內沉積Li+擴散阻隔層TiN，然后以硅為負極，LiPON為固態電解質，LiCoO₂為正極制成電池，并在硅基體上形成封裝保護層，包覆正極集流體、負極集流體和固態電解質，所述正極集流體、負極集流體均采用多單元包覆疊層電堆結構，均以集流片為主體，集流片與正極、負極之間依次均設有碳膜和隔膜，正極與負極之間為包覆絕緣環，將正極和負極和電解液之間的電解液空間通過包覆絕緣環隔離開來。

優選的，所述固態電解質合成最佳比例的LiPON電解質膜為Li_2.88PO_3.73N_0.14，是通過在N₂氣氛下濺射得到的薄膜，且其化學性質和電化學性質穩定。

優選的，所述封裝保護層為利用彈性膠體在電池芯周圍形成防振動、沖擊的保護層。

優選的，所述固態電解質是通過將 CH₃COOLi、LiPON、La₂O₃和 ZrO ₂混合研磨，在研磨后的混合物在惰性氣氛下，先在 500-580℃下預燒80-120分鐘，然后升至750-850℃下煅燒 2-4 小時，得到所述全固態鋰電池電解質。