[發(fā)明專利]基于3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)的薄膜固態(tài)鋰電池

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810096331.8
• 申請(qǐng)日: 2018-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN108390104A
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向勇;宋世湃;彭邦恒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/058
• 分類號(hào): H01M10/058;H01M4/13;H01M10/0562;H01M10/0565
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種基于3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)的薄膜固態(tài)鋰電池；包括從下往上依次層疊設(shè)置的襯底、正極集流體、厚膜正極、固態(tài)電解質(zhì)、負(fù)極及負(fù)極集流體，其特征在于，所述厚膜正極中設(shè)置有3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)，所述3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)呈陣列排布、由離子導(dǎo)體柱與電子導(dǎo)體柱交替排列構(gòu)成，其中，離子導(dǎo)體柱與固態(tài)電解質(zhì)連接，電子導(dǎo)體柱與正極集流體連接。本發(fā)明通過(guò)在正極薄膜中構(gòu)建3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)厚膜正極的離子和電子導(dǎo)電性，提高薄膜電池容量，進(jìn)一步提高其能量密度，并提高薄膜電池倍率性能；有效拓展薄膜鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及通過(guò)構(gòu)建3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)的正極薄膜，實(shí)現(xiàn)較厚正極薄膜的高效利用，提高薄膜鋰電池的容量和能量密度。

背景技術(shù)

上世紀(jì)90年代SONY公司開發(fā)第一代商用鋰離子電池以來(lái)，由于鋰離子電池具有高能量密度和輸出工作電壓的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于數(shù)碼電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車及大規(guī)模儲(chǔ)能等方面。使用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池在過(guò)充、短路等狀態(tài)下，存在起火爆炸的問(wèn)題，將有機(jī)電解液替換為固態(tài)電解質(zhì)將徹底解決這一問(wèn)題。目前固態(tài)鋰電池的制備工藝主要分為粉料陶瓷工藝和半導(dǎo)體薄膜工藝兩種，其中粉料陶瓷工藝存在燒結(jié)工藝溫度高、電解質(zhì)顆粒與顆粒之間界面電阻大等問(wèn)題，增加了其產(chǎn)業(yè)化的難度：而半導(dǎo)體薄膜工藝制備的“三明治”疊層結(jié)構(gòu)固態(tài)鋰電池存在容量低的問(wèn)題，限制了其應(yīng)用范圍。

目前有文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)，增大單位體積電池面積的方式提高薄膜固態(tài)鋰電池容量和能量密度，例如英文文獻(xiàn)“Notten P,Roozeboom F,Niessen R,et al.3‐DIntegrated All‐Solid‐State Rechargeable Batteries[J].Advanced Materials,2007,19(24):4564-4567.”中公開通過(guò)刻蝕的方式制備3D鋰離子電池，相比于傳統(tǒng)二維薄膜鋰電池其體積能量提升了25倍；但是正極只含有正極活性物質(zhì)，不含有電子和離子傳導(dǎo)介質(zhì)，限制了正極層的厚度。因此，在不降低活性材料利用率的前提下，如何提高正極活性材料數(shù)量將是拓寬薄膜固態(tài)鋰電池應(yīng)用范圍的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種基于3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)的厚膜正極及其薄膜固態(tài)鋰電池；本發(fā)明通過(guò)3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)正極厚膜離子和電子導(dǎo)電性，提高薄膜電池容量和能量密度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

基于3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)的高能量密度薄膜固態(tài)鋰電池，包括從下往上依次層疊設(shè)置的襯底、正極集流體、厚膜正極、固態(tài)電解質(zhì)、負(fù)極及負(fù)極集流體，其特征在于，所述厚膜正極中設(shè)置有3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)，所述3維離子/電子導(dǎo)體混合網(wǎng)絡(luò)呈陣列排布、由離子導(dǎo)體柱與電子導(dǎo)體柱交替排列構(gòu)成，其中，離子導(dǎo)體柱與固態(tài)電解質(zhì)連接，電子導(dǎo)體柱與正極集流體連接。

進(jìn)一步地，所述離子導(dǎo)體柱與固態(tài)電解質(zhì)均采用NASICON型、鈣鈦礦型、石榴石型、反鈣鈦礦型、LiPON型或硫化物固態(tài)電解質(zhì)。

進(jìn)一步地，所述電子導(dǎo)體柱采用金屬Al、Au、Pt，或石墨及其高導(dǎo)電碳材料衍生材料。

進(jìn)一步地，所述厚膜正極采用鈷酸鋰層狀正極、磷酸鐵鋰正極、尖晶石LiMn₂O₄正極及其衍生物正極材料。

進(jìn)一步地，所述負(fù)極集流體采用金屬Cu、Au或Pt。

進(jìn)一步地，所述負(fù)極采用Si、Li或Li₄Ti₅O₁₂。

進(jìn)一步地，所述襯底采用Si、玻璃、不銹鋼或聚酰亞胺。

本發(fā)明的有效效果在于：