[發明專利]一種生產全固態薄膜鋰電池的方法

有效

• 申請號: 201710550041.1
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107464913B
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 陳牧;顏悅;劉偉明;張曉鋒;韋友秀
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M10/04;H01M10/0525;H01M10/0562;H01M10/058
• 代理公司: 11008 中國航空專利中心
• 代理人: 李建英<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明屬于電池制造技術和真空鍍膜技術領域，涉及一種生產全固態薄膜鋰電池的方法和設備。本發明采用真空鍍膜機在不暴露空氣環境下，在基板上方制造單芯電池。電池結構采用N次重復的單芯電池堆垛單元，無需外加線路，結構上自然形成高電壓薄膜鋰電池，電池目前的實測穩定電壓為6V?100V；該電池在結構上分為兩款：第一款是含有負極的高電壓電池，第二款是無負極的高電壓電池。本發明實現程序化往復鍍膜，避免了暴露真空而導致薄膜受到空氣污染，從而實現生產高電壓薄膜鋰電池制備的連續性和一致性。在生產過程中，各工序步驟可連續，無互擾，相對傳統設備生產效率提高了30％以上。

技術領域

本發明屬于電池制造技術和真空鍍膜技術領域，涉及一種生產全固態薄膜鋰電池的方法。

背景技術

傳統鋰離子電池一般基于液態有機電解質和隔膜，在使用壽命內存在安全隱患。采用固態電解質替代電解液，發展全固態鋰離子電池是解決電池安全隱患的最優方案之一。全固態薄膜鋰電池是全固態鋰離子電池目前最具發展潛力的分支之一，單芯電池的主要薄膜層結構由在耐高溫基片上形成的集流體、正極、電解質、負極、封裝層構成，其電解質部分主要基于上世紀90年代初期橡樹嶺國家實驗室Bates J B 等人開發的以摻雜氮元素磷酸鋰薄膜(LiPON)。

目前單芯全固態薄膜鋰電池制備方法主要采用真空鍍膜法，該方法制作的薄膜層致密且具備較高純度，在暴露真空條件下沉積多層薄膜。針對全固態薄膜鋰電池的工藝流程建造的設備具有專用性。例如日本愛發科公司(Jimbo et al.,Energy Procedia 14(2012)1574-1579)和復旦大學(CN1747217A)采用串聯式腔室結構制作單芯電池；群組工具的方法被美國應用材料公司(CN102576898，CN102037586A， CN103608958A)和法國ZI Sud公司(Martin et al.,Thin Solid Films 38-399(2001)572-574)采用制作單芯電池。這些電池制造設備結構較為復雜，電池成品一般為3-4V低電壓的單芯電池，無法直接滿足大多數電子產品和汽車動力電池需求(電壓>6V)。另一方面，汽車動力電池、筆記本電池大多采用高電壓鋰離子電池組，其電池組往往由單芯電池通過復雜的外電路串并聯結構形成。如何實現電池內部無引線的串并聯結構，簡化生產過程并減少原材料的使用，是長期困擾鋰電池行業的難題。

發明內容

本發明針對現有薄膜鋰電池制造方法只能制備低電壓電池的不足，以及移動電源行業對高電壓電池使用的需求，提出一種生產高電壓全固態薄膜鋰電池的方法和設備。

本發明的技術解決方案是，采用真空鍍膜機在不暴露空氣環境下，在基板上方制造單芯電池，沉積的方式為如下之一，(一)依次在基板上沉積集流體、正極、電解質、負極單芯電池，根據所要求電池產品的電壓值，在單芯電池上方重復沉積多個集流體、正極、電解質、負極單芯電池，(二)依次在基板上沉積集流體、正極、電解質單芯電池，根據所要求電池產品的電壓值，在單芯電池上重復沉積多個集流體、正極、電解質單芯電池，鍍膜步驟是：

1)首先制造生產全固態薄膜鋰電池的設備，設備包含五個腔室和一臺控制計算機，其中二個腔室為真空鍍膜腔室，另外三個分別為真空退火腔室、電池封裝腔室和樣品傳遞腔室；真空鍍膜腔室、真空退火腔室及電池封裝腔室均通過真空閥門與樣品傳遞腔室連接，電池封裝腔室由無水、無氧及惰性氣氛保護，樣品傳遞腔室為真空環境，樣品傳遞腔室中設置有真空機械手或真空機器人作為傳遞系統；

2)生產電池，其過程由計算機控制，控制過程為如下之一：

過程一是，

步驟一，在第一真空鍍膜腔室內，進行基片表面處理、正極集流體的掩膜鍍膜和正極的掩膜鍍膜；根據正極材料的屬性確定下一個步驟，當正極材料需要進行退火處理時，進入步驟二，當正極材料不需要進行退火處理時，直接進入步驟三；