制造单片全固态电池的方法技术

本发明专利技术涉及用于制造全固态电池的方法，所述电池包括至少一层包含阳极材料的致密层(“阳极层”)、至少一层包含固体电解质材料的致密层(“电解质层”)，以及至少一层包含阴极材料的致密层(“阴极层”)，以获得由多个基本单元的组装件构成的全固态电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电池领域，特别是涉及锂离子电池。更具体地，本专利技术涉及全固态锂离 子电池，以及用于制造此类电池的新颖方法。
技术介绍
许多文章和专利中提出了制造锂离子电池的方式，并且在2002年发表（Kluever Academic/PlenumPublishers)的作品"AdvancesinLithium-IonBatteries(裡离子电 池的进展）"（ed.W.vanSchalkwijkandB.Scrosati)提供了对这些制造方式的良好的评 价。可以利用本领域技术人员所知的印刷或沉积技术（特别是辊涂、刮刀、流延）来生产锂 离子电池的电极。这些技术使得生产厚度在50ym至400iim之间的沉积物成为可能。可 以依靠沉积物的厚度、孔隙度和活性颗粒的尺寸对电池的功率和能量进行调整。 近来，出现了其他锂离子电池的结构。这些结构主要是全固态薄膜微电池。这些 微电池具有平面结构，即，它们本质上由形成基本电池单元的三层的组装件构成：被电解质 层隔开的阳极层和阴极层。这些电池被称为是"全固态"的，这是因为两个电极（阳极和阴 极）和电解质由无孔固体材料制成。由于与传统的基于电解质的包括有溶解在非质子溶剂 (液体电解质或胶体电解质）中的锂盐的电池的性能相比，这些电池具有更好的性能，因此 它们具有重大的优势。不存在液体电解质的情况显著减少了电池中的内部短路和热失控的 风险。 已经使用了不同的真空沉积技术来生产薄膜微电池。特别地，物理气相沉积（PVD) 是目前生产这些薄膜微电池最常使用的技术。这项技术使得生产高品质的无孔电极层和无 孔电解质层成为可能。这些层通常较薄（通常小于5ym)，从而不会导致与电极厚度的增加 相关联的过多的功率损耗。 为了生产全固态电池，已经提出了若干方法。通常，这些方法仅仅基于电极材料粉 末和电解质材料粉末的高压机械压制（JournalofPowerSources、2009、189、145-148H. Kitaura)。但是，所获得的电极层和电解质层是有孔的，并且电极层与电解质层之间的粘合 并非最优，从而使所述电池的内部电阻过高，并且无法产生高功率。 已经使用许多烧结技术来改善全固态电池的性能，这些技术或使用热处理 (JournalofPowerSources, 2007, 174,K.Nagata)，或使用脉冲电流（MaterialResearch Builetin, 2008,X.Xu)。然而，烧结会导致显著的收缩和/或对高温的使用。因此，不可能 在导电金属衬底上（并且更具体地，在铝衬底上）执行全固态电极沉积。实际上，过高的 温度会使金属衬底氧化或者显著劣化。此外，沉积在衬底上的层会导致在烧结期间出现裂 痕。这些缺点要求集流体沉积在由阴极/电解质/阳极的堆叠而形成的电池单元的端部上。 因此，与集流体的沉积相关联的约束无法使得无法生产由多个基本单元构成的全固态单片 (monolithic)三维电池组装件。 因此，本专利技术旨在通过以下过程生产由多个基本单元构成单片机体的全固态单片 锂离子电池：直接在充当电池集流体的衬底的两个表面上生产致密电极沉积物，并且在所 获得的致密电极沉积物的至少一个上沉积全固态致密电解质层。
技术实现思路
本专利技术涉及用于生产全固态电池的方法，所述电池包括至少一层包含阳极材料的 致密层（"阳极层"）、至少一层包含固体电解质材料的致密层（"电解质层"）、以及至少一 层包含阴极材料的致密层（"阴极层"），以获得由多个基本单元的组装件构成的全固态电 池，所述方法包括以下步骤： a)将致密阳极层和致密阴极层分别沉积在它们各自的导电衬底上，所述导电衬底 分别能够充当阳极集流体和阴极集流体； b)在从步骤a)中获得的两层的至少一层上沉积致密固体电解质层； C)在从步骤a)和/或步骤b)中获得的各层的至少一层上沉积至少一种Ms粘合 材料；应当理解，步骤a)、步骤b)和步骤c)的对各层的沉积并非全部通过电泳来执行； d)将从步骤c)中获得的层和从步骤a)、步骤b)或步骤c)中获得的层面对面地 堆叠； e)执行热处理和/或机械压缩以获得能够起到电池作用的基本单元的全固态组 装件，所述热处理和/或机械压缩促进了面对面地堆叠的两层之间的接触。 优选地，在阳极层和阴极层各自的导电衬底的两个表面上执行阳极层和阴极层的 沉积。 在优选实施例中，在步骤e)中执行的热处理在温度Tr下执行，优选地，温度T 超过经受所述热处理步骤的至少一种最易熔的Ms粘合材料的熔化温度或分解温度（用°C 表示）的〇. 7倍，并且更优选地不超过上述材料的熔化温度或分解温度（用°C表示）的0. 5 倍（并且甚至更优选地不超过〇. 3倍）。与此类似，在lOMPa和lOOMPa之间（优选地，在 lOMPa和50MPa之间）的压力下执行步骤e)中获得的组装件的机械压缩。 利用气相沉积和/或湿法沉积来执行步骤a)、步骤b)和步骤c)的各层的沉积，并 且更具体地利用以下技术中的至少一种来执行所述沉积： i)物理气相沉积（PVD)，并且更具体地，真空蒸镀、激光烧蚀、离子束、阴极溅射； ii)化学气相沉积（CVD)，并且更具体地，等离子体增强化学气相沉积（PECVD)、激 光辅助化学气相沉积（LACVD)，或气溶胶辅助化学气相沉积（AA-CVD); iii)电喷射；iv)气溶胶沉积；v)电泳；vi)溶胶一凝胶； vii)浸渍，并且更具体地，浸涂、旋涂或Langmuir-Blodgett工艺。 优选地，从以下材料中的一种或几种中选择Ms粘合材料： 3)从以下物质中选择的基于氧化物的材料：1^3.扣。. 6￥。.404、1^20-他20 5、1^;[04、 Li20、Li14Zn(Ge04)4、LieZi^O?、Li8Zr06、Li0.35La0.55Ti0 3、Li0.5La0.5Ti0 3、Li7La3Zr2012、 Li5+xLa3(Zrx，A2 x)012(其中A = 5。、11、￥、￥、他、1^、丁&、八1、51、6&、66、511，且1.4彡叉彡2); b)从以下物质中选择的基于氮化物的材料或基于氮氧化物的材料：Li3N、 Li3P〇4 xN2x/3、Li4Si04 xN2x/3、Li4Ge04 xN2x/3(其中0<x<4)或Li3B03 xN2x/3(其中0<x<3); 还可包括以下元素的基于氮氧化磷锂的材料（称为LiPON):硅（称为LiSiPON)、硼（称 为LiPONB)、硫（称为LiPONS)、锆或铝（称为LiPAON)或者铝、硼、硫和/或硅的组；还 可包括以下元素的基于氮氧化硼锂的材料（称为LiBON):硅（称为LiSiBON)、硫（称为 LiBONS)或铝（称为LiBAON)或者铝、硫和硅的组；以及更具体地，LixPOyNz类型的材料，其 中x~2. 8 且 2y= 3z，0. 16 彡z彡 0? 46 ;或者LiwPOxNyS z，其中（2x+3y+2z) = (5+w)且 3. 2 彡x彡 3. 8、0. 13 彡y彡 0? 4、0 彡z彡 0? 2、2. 9 彡w彡 3. 3 ;或者LitPxAlyO uNvSw，其中 (5x+3y) = 5、（2本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于生产全固态电池的方法，所述电池包括至少一层包含阳极材料的致密层(“阳极层”)、至少一层包含固体电解质材料的致密层(“电解质层”)、以及至少一层包含阴极材料的致密层(“阴极层”)，以获得由多个基本单元的组装件构成的全固态电池，所述方法包括以下步骤：a)将致密阳极层和致密阴极层分别沉积在它们各自的导电衬底上，所述导电衬底分别能够充当阳极集流体和阴极集流体；b)在从步骤a)中获得的两层的至少一层上沉积致密的固体电解质层；c)在从步骤a)和/或步骤b)中获得的各致密层的至少一层上，优选地通过电泳来沉积至少一种Ms粘合材料的纳米颗粒的层；应当理解，步骤a)、步骤b)和步骤c)的对各层的沉积并非全部通过电泳来执行；所述至少一种Ms粘合材料的纳米颗粒层的熔点低于与其接触的层的熔点；d)将从步骤c)中获得的层和从步骤a)、步骤b)或步骤c)中获得的层面对面地堆叠；e)执行热处理和/或机械压缩以获得能够起到电池作用的基本单元的全固态组装件，所述热处理和/或机械压缩促进了面对面地堆叠的两层之间的接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：法比安·加邦，
申请(专利权)人：ITEN公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR