锂离子电池正极、全固态锂离子电池及其制备方法与用电器件技术

本发明专利技术提供了一种锂离子电池正极、全固态锂离子电池及其制备方法与用电器件，涉及电池技术领域，该锂离子电池正极包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰。利用该不含锂的正极能够缓解现有适用于全固态锂离子电池的正极高温退火下容易发生开裂、脱落以及难以实现与微电路集成且不易与不耐高温的柔性基底结合的技术问题，达到提高全固态锂离子电池适用范围的技术效果，同时可以降低原材料以及制备的成本。

Lithium-ion battery cathode, all-solid-state lithium-ion battery, its preparation method and electrical devices

The invention provides a lithium-ion battery cathode, an all-solid-state lithium-ion battery, a preparation method and an electrical device, and relates to the battery technical field. The lithium-ion battery cathode comprises a cathode collector and a cathode material layer arranged on the surface of the cathode collector. The cathode active material in the cathode material layer is manganese tetroxide. The lithium-free cathode can alleviate the technical problems of cracking, shedding and difficult integration with microcircuits and bonding with flexible substrates which are suitable for all-solid-state lithium-ion batteries under high temperature annealing. It can improve the application range of all-solid-state lithium-ion batteries and reduce the cost of raw materials and preparation.

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池正极、全固态锂离子电池及其制备方法与用电器件
本专利技术涉及电池
，尤其是涉及一种锂离子电池正极、全固态锂离子电池及其制备方法与用电器件。
技术介绍
全固态薄膜锂电池是在传统锂离子电池的基础上发展起来的一种新型结构的锂离子电池，其基本工作原理与传统锂离子电池类似，即在充电过程中Li+从正极脱出，经过固态电解质在负极发生还原反应；放电过程则相反。全固态薄膜锂电池可以彻底解决当前商用锂离子电池的安全性问题，并具有超长的循环寿命、较宽的使用温度范围、极小的自放电率等优点，因而全固态锂电池受到了业界的广泛关注。全固态薄膜锂电池可广泛的应用于智能卡、电子标签、集成电路等领域，被认为是微电子系统电源供应中唯一可用的能源器件以及可穿戴电子设备的理想电源，还可以应用于可植入医疗器件、航天航空等特殊领域，因而具有广阔的市场前景。目前全固态薄膜锂电池中最常用的正极材料是含锂的正极材料，如LiCoO2材料。通常情况，这些含锂的正极材料只有高温退火后(如LiCoO2需600-800℃高温退火)才能得到较高的高结晶度以保证其优良的电化学性能。然而，高温退火过程一方面容易造成正极活性材料薄膜开裂、脱落，导致薄膜电池形成微短路；另一方面，高温过程与半导体工艺不匹配，难以实固态薄膜电池在微电路上的集成；此外，高温退火过程也使得全固态薄膜锂电池难以在一些不耐高温、低成本、高柔性的基底(如聚酰亚胺、铝箔等)上制备。因此，寻找适合低温制备、具有高容量的不含锂的正极材料来替代含锂的正极材料，以及发展低成本、高容量的全固态薄膜锂电池具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种锂离子电池正极，以缓解现有适用于全固态锂离子电池的正极高温退火下容易发生开裂、脱落以及难以实现与微电路集成且不易与不耐高温的柔性基底结合的技术问题。本专利技术的第二目的在于提供一种全固态锂离子电池及其制备方法，以缓解现有的全固态锂离子电池用含锂正极材料时容易造成正极活性材料薄膜开裂、脱落、难以实现与微电路集成且不易与不耐高温的柔性基底结合的技术问题。本专利技术的第三目的在于提供一种包括上述全固态锂离子电池的用电器件。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种锂离子电池正极，包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰。一种全固态锂离子电池，包括正极、负极和固态电解质；包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰，所述负极中的负极活性材料为含锂金属，所述固态电解质为含锂化合物；优选地，所述正极材料层为四氧化三锰薄膜。一种全固态锂离子电池的制备方法，使所述正极、所述固态电解质和所述负极依次贴合后，得到所述全固态锂离子电池。一种用电器件，包括上述全固态锂离子电池。与已有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的锂离子电池正极，利用四氧化三锰作为锂离子电池的正极活性材料，在全固态锂离子电池中，相对于含锂正极材料需高温退火而言，四氧化三锰在400℃以下进行退火就具有较高的结晶度或无需退火结晶仍能保持较好的电化学性能，因此，四氧化三锰具有制备所需温度较低，制备成本低，可以在不耐高温的高柔性衬底上制备等优点，利用该锂离子电池正极可以使全固态锂离子电池与半导体工艺相匹配以用于制造集成电路。四氧化三锰具有较高的比容量和能量密度，其理论比容量高达300mAh/g，能量密度可以达到870Wh/Kg，因此，利用四氧化三锰作为正极活性材料可以有效地提高全固态锂离子电池的单体电池容量和能量密度。同时，四氧化三锰的材料成本远低于含锂的正极材料，因此，利用四氧化三锰作为正极活性材料，还能大幅降低全固态锂离子电池的生产成本。利用上述正极得到的全固态锂离子电池，由于四氧化三锰无需高温退火，因此其制备效率高，制备成本低，且可以与半导体制备工艺相匹配，同时提高单体电池容量。经试验测试，本专利技术提供的全固态锂离子电池单体电池比容量高，循环性能好，如：在50mA/g的电流下，容量可达到182mAh/g；在200mA/g的电流下，循环1000圈后容量保持率可达81.6％。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1制备的全固态薄膜锂电池结构示意图；图2为本专利技术实施例1制备四氧化三锰薄膜的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例1制备的四氧化三锰薄膜的X射线衍射图；图4为本专利技术实施例1得到的全固态薄膜锂电池充放电曲线图和循环性能图；图5为本专利技术实施例1得到的全固态薄膜锂离子电池实物及正常工作图；图6为本专利技术实施例2制备的四氧化三锰薄膜扫描电镜图；图7为本专利技术实施例2制备四氧化三锰薄膜的X射线衍射图；图8为本专利技术实施例2得到的全固态薄膜锂电池充放电曲线图；图9为本专利技术实施例3得到的四氧化三锰薄膜扫描电镜图；图10为本专利技术实施例3得到的四氧化三锰薄膜X射线衍射图；图11为本专利技术实施例3得到的全固态薄膜锂电池充放电曲线图；图12为本专利技术实施例4得到的全固态薄膜锂电池充放电曲线图；图13为本专利技术实施例5得到的全固态薄膜锂电池充放电曲线图。图标：1-正极集流体；2-四氧化三锰薄膜；3-固态电解质薄膜；4-负极活性材料薄膜；5-负极集流体薄膜。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。一方面，本专利技术提供了一种锂离子电池正极，包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰。本专利技术提供的锂离子电池正极，利用四氧化三锰作为锂离子电池的正极活性材料，在全固态锂离子电池中，对于含锂正极材料而言，四氧化三锰在400℃以下进行退火就具有较高的结晶度或无需退火结晶仍能保持较好的电化学性能，因此，四氧化三锰具有制备所需温度较低，制备成本低，可以在不耐高温的高柔性衬底上制备等优点，利用该锂离子电池正极可以使全固态锂离子电池与半导体工艺相匹配以用于制造集成电路。四氧化三锰具有较高的比容量和能量密度，理论比容量高达300mAh/g，能量密度可以达到870Wh/Kg，因此，利用四氧化三锰作为正极活性材料可以有效地提高全固态锂离子电池的单体电池容量和能量密度。本专利技术中，正极材料层除包括正极活性材料外还可以包括粘结剂、导电剂或其他改善四氧化三锰性能的物质，另外，正极材料层还可以只包括正极活性材料。在本专利技术的一些实施方式中，所述正极材料层为四氧化三锰薄膜。该实施方式中，正极材料层为单纯的四氧化三锰薄膜，并未加入其他物质。利用单纯的四氧化三锰薄膜作为正极材料层可以简化生产工艺，提供正极材料的稳定性以及使正极材料层保持较高的比容量和能量密度。第二方面，本专利技术提供了一种全固态锂离子电池，包括正极、负极和固态电解质；包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池正极，其特征在于，包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极，其特征在于，包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰。2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极，其特征在于，所述正极材料层为四氧化三锰薄膜。3.一种全固态锂离子电池，其特征在于，包括正极、负极和固态电解质；包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层中的正极活性材料为四氧化三锰，所述负极中的负极活性材料为含锂金属，所述固态电解质为含锂化合物；优选地，所述正极材料层为四氧化三锰薄膜。4.根据权利要求3所述的全固态锂离子电池，其特征在于，所述含锂金属为金属锂或锂合金；优选地，所述固态电解质包括LiPON、Li7La3Zr2O12、LiBO3、Li3PO4、Li3OX或LiTi2(PO4)3中的一种或至少两种的组合。5.根据权利要求3或4所述的全固态锂离子电池，其特征在于，所述全固态锂离子电池为薄膜电池。6.一种权利要求3-5任一项所述的全固态锂离子电池的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晖，夏求应，孙硕，昝峰，徐璟，岳继礼，
申请(专利权)人：天津瑞晟晖能科技有限公司，南京理工大学北方研究院，
类型：发明
国别省市：天津,12