制造锂电池的方法技术

一种制造具有衬底集流体的电池的方法，其中该方法包括：在衬底面上形成细长且对齐的具有直立壁的电传导结构；其中该壁形成有覆盖所述壁的第一电极层，和在该第一电极层上提供的固态电解质层；并且其中第二电极层通过利用电极层覆盖该电解质层而形成；以及形成与该第二电极层电接触的顶部集流体层，其中该第二电极层通过绝缘体与该传导结构屏蔽，该绝缘体覆盖所述传导结构邻近其端侧的一部分。

Method of Manufacturing Lithium Batteries

A method for manufacturing a battery with a substrate collector includes: forming a slender and aligned conductive structure with a vertical wall on the substrate surface; forming a first electrode layer covering the wall and a solid electrolyte layer provided on the first electrode layer; and forming a second electrode layer by covering the electrolyte layer with the electrode layer; A top collector layer which is electrically contacted with the second electrode layer is formed. The second electrode layer is shielded by an insulator and the conductive structure, which covers a part of the conductive structure adjacent to its end side.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造锂电池的方法
本专利技术涉及一种制造用于电化学或电光装置的锂电池的方法。
技术介绍
对于像例如用于(混合动力)电动车辆(EV、PHEV)的便携式电子应用和车用应用来说，电池系统需要具有最优能量密度以提供最小系统重量及体积。为了实现高能量密度，基于锂金属的电池(即，具有锂金属作为阳极)是有吸引力的，这是因为该金属的能量密度可达到约3800mAh/g的高水平。US6168884公开了锂金属阳极的平面设计，该锂金属阳极通过将锂镀覆在阳极集流体上在最初充电期间原位形成，所述阳极集流体不与锂形成金属间化合物。阳极集流体夹在固态电解质与上覆盖层之间。具有配有非平面设计的集流体的可再充电锂离子固态电池也是众所周知的。已知类型的薄膜电池结构公开于例如WO2010032159中，其内容通过引证而被包括，其中例如全固态组合物沉积在3D微图案化结构上。在此方面，其中早期电池结构利用液体电解质，全固态组合物利用固态类型的电解质，所述固态类型的电解质在使用时本质上更安全。在这些结构中，不计其数的材料正在或已经用于例如如在US20110117417中所公开的个别电极。DE102011121681公开了用于液体电解质的柱体几何形状，其中通过分离这些柱体顶部而防止其上形成树枝晶。柱体在电解质流体或凝胶中延伸且远离阴极板。在放电电池模式下，阳极是“负电极”，正电流从阴极流到阳极，所述阴极是“正电极”。在放电期间，这些功能相反。与充电模式无关，电化学关系的特征可在于负电极材料与正电极材料之间的电荷交换，负电极材料的功函数或氧化还原电势低于正电极材料的功函数或氧化还原电势。例如，已知负电极(阳极)材料是Li4Ti5O12(LTO)；LiC6(石墨)；Li4.4Si(硅)和Li4.4Ge(锗)，已知正电极(阴极)材料是LiCOO2(LCO)、LiCoPO4、(掺杂的)LiMn2O4(LMO)、LiMnPO4、LiFePO4(LFP)、LiFePO4F(LFPF)、LiCO1/3Ni1/3Mn1/3O2(LCNMO)、硫或基于硫的化合物像LixS。已知(固态)电解质可包括诸如Li7La3Zr2O12(LLZO)的石榴石、诸如La0.57Li0.33TiO3(LLTO)的钙钛矿、碘化锂(LiI)、磷酸锂(Li3PO4)和氮氧化磷锂(LiPON)。另外，已知在有机溶剂(诸如碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯)中的锂盐(诸如LiPF6、LiBF4或LiClO4)的在室温下具有约10mS/cm的典型导电性。电解质在最初充电时分解并形成称为固体电解质中间相(SEI)的固体层。也可包括像聚氧化乙烯(PEO)的固体聚合物分隔器，此类聚合物如现有技术已知通常由于其间具有锂盐而具有传输能力。尤其在一些实例中，已经对锂及卤化物材料进行处理，诸如四氟化锂铝(LiAlF4)的四卤化锂铝。一旦这种结构制作在可弯曲金属箔上，它们即可以大规模方法制造，例如卷对卷工艺，其中可完成以下操作：1)使其盘绕、卷绕或堆叠以增大每单位体积的能量或功率密度。2)将其合并在柔性装置上，像柔性显示器、招牌等。虽然高深宽比(大展弦比，high-aspectratio)结构可以以纳米级制作，但这些高深宽比结构的高度或深度需要以微米级以用于为电池递送足够的充电能力。这些结构受偏爱的原因是由于易于接近其整个表面。在现有技术中，生产这些的许多方法是不经济的(例如，涉及硅微制造和长时间电沉积)。此外，为了进行这些中的任何一个，堆叠的设计需要优化，因此换句话讲，卷绕或挠曲时，柱体结构可能损坏，从而抑制装置的适当电化学作用。另外，已经注意到，现有固态的(例如)基于锂的嵌入电解质在高深宽比结构中诱发应力，所述应力可限制使用寿命且降低循环周期的数目。存在一个挑战，即在不影响速率性能的情况下，将电化学非活性电子集流体的相对量降至最低。旨在提供一种用于3D薄膜电池设计的方法和结构，具有全固态结构以提供内在安全且高能量密度的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于生产电子装置的方法，该电子装置具有能够高比电荷收集区域和功率的集流体，具有适当尺寸，但也使用简单快速技术且产生稳健设计来实现。为此，根据一方面，提供一种制造具有衬底(基体，基片，substrate)集流体(集电器，集流器，currentcollector)的电池的方法，其中所述方法包括：在衬底面(表面，face)上形成细长(延伸的，elongate)且对齐的具有直立壁的电传导结构(electricallyconductivestructures)；其中该壁形成有覆盖所述壁的第一电极层，和设置在第一电极层上的固态电解质层；并且其中第二电极层通过利用电解质层覆盖该电解质层而形成；以及形成与第二电极层电接触的顶部集流体层，其中第二电极层通过绝缘体(绝缘子，insulator)与传导结构屏蔽，该绝缘体覆盖所述传导结构邻近其端侧的一部分。例如，绝缘盖屏蔽柱体顶部以防与锂金属层直接电接触。在另一实例中，柱体结构的基底部分可覆盖有绝缘体。柱体用作层压板中的电池结构的集流体，该集流体通过基底衬底电连接。在邻近柱体之间，高度尺寸与柱体间距(即垂直于沿基底共面的壁的长度尺寸)的长径比相对较高，即高于50，或甚至高于80，或甚至大于100。在典型布置中，柱体可能具有高度尺寸，即从将基底平面与平面表面分离的约25-200微米，优选地50-100微米的高度，其中长度尺寸，即分离相对柱体的长度，可以是大约1-10微米，优选地2-4微米。对于此类结构，如当前所公开的衬底与集流体的显著增大的表面区域导电，这提高集流体的电荷收集能力。此外，对于此类结构，有可能在不影响多层涂层的功能情况下施加保形多层涂层。这种功能的实例可以是多层，诸如电池多层或光电多层或单层涂层。另外，根据本专利技术的一方面，对于此类高深宽比结构，最佳集流体性能可以以涂覆的柱体形式设置，其中高深宽比结构包括具有大于50纳米的曲率半径的金属或金属化柱体。改进的性能的一个方面是通过高深宽比结构的密度发现的折衷，该高深宽比结构要求更小的节距和周围保形涂层。在此方面，电池多层中的电极厚度可改变且相关联以在充电和/或放电时匹配其锂离子的体积存储能力。已知匹配关系由本领域已知的C速率数目决定。C速率是电池相对于其最大容量充电或放电的速率的测量值。例如，某一C速率下的电极层的容量通过控制层厚度和材料组成来匹配。本专利技术的另一方面是‘保形涂层’是可包括多个层的涂层，该多个层至少保形地涂覆高深宽比结构的柱体。此外，在此申请中，‘第一电极层’可以是层压板的部分且可以是底层，即具有最小曲率半径的层。‘第二电极’可用于表明层压板的顶部层，即具有最高曲率半径的层。应当注意的是，层压板不是必需的，因为电极结构可合并到收集器结构作为多孔复杂结构。在此类实施方式中，电解质层设置在与集流体结构合并的电极结构之间。应当注意的是，在US2009214956中，提出一种结构，其中电解质材料保形地涂覆至导电纳米线上，并且其中与第二传导材料电连接的阴极材料贯穿在涂覆有电解质的纳米线之间。厚度指的是‘平均厚度’，其可提供某一数学厚度的等效函数。在申请中，其中层经过涂覆，预期其功能位置处的这些涂层基本上是保形的，但这不是必须的，只要功能层设计成具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造具有衬底集流体的电池的方法，其中所述方法包括：在衬底面上形成细长且对齐的具有直立壁的电传导结构；其中所述壁形成有覆盖所述壁的第一电极层，和在所述第一电极层上提供的固态电解质层；并且其中第二电极通过覆盖所述电解质层而形成；以及形成与所述第二电极电接触的顶部集流体层，其中所述第二电极通过绝缘体与所述传导结构屏蔽，所述绝缘体覆盖所述传导结构邻近其端侧的一部分，以防止在所述第一电极与所述第二电极之间的离子传输路径，从而缓解所述传导结构的所述端侧附近增强的应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.23 EP 16176012.91.一种制造具有衬底集流体的电池的方法，其中所述方法包括：在衬底面上形成细长且对齐的具有直立壁的电传导结构；其中所述壁形成有覆盖所述壁的第一电极层，和在所述第一电极层上提供的固态电解质层；并且其中第二电极通过覆盖所述电解质层而形成；以及形成与所述第二电极电接触的顶部集流体层，其中所述第二电极通过绝缘体与所述传导结构屏蔽，所述绝缘体覆盖所述传导结构邻近其端侧的一部分，以防止在所述第一电极与所述第二电极之间的离子传输路径，从而缓解所述传导结构的所述端侧附近增强的应力。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部集流体形成在所述衬底面上的所述传导结构的顶部上。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部集流体提供在具有绝缘体的所述传导结构的基底处，所述绝缘体将所述顶部集流体与所述衬底集流体屏蔽。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述绝缘体部分覆盖所述第一电极层。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中第二电极层是锂金属层。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述锂金属层在以下的步骤中提供：使种子层沉积在所述电解质层上，以及在金属镀覆工艺中利用锂金属镀覆所述种子层。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述镀覆工艺通过在金属柱体与所述种子层之间提供电压而从所述第一电极层中提取所述锂金属。8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述镀覆工艺通过在所述种子层与对电极之间提供电压而提供，所述对电极与所述种子层分离；其中与所述种子层接触的所述对电极和/或电解质包含锂源。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部集流体层沿着所述直立壁延伸。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢卡斯·奥古斯蒂努斯·哈弗凯特，桑迪普·乌尼克里希南，多萝特·克里斯蒂娜·赫尔梅斯，
申请(专利权)人：荷兰应用科学研究会TNO，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL