双极固态锂离子电池制造技术

本实用新型专利技术公开了一种双极固态锂离子电池，包括至少一个单元组，所述电池单元包括：正极活性材料层，贴附在所述正极活性材料层一侧的固态的电解质层，贴附在所述正极活性材料层另一侧的具有电子导电性且不具有离子导电性的导电层；充电时所述锂离子从一个电池单元的正极活性材料层析出经过电解质层沉积在其相邻的电池单元的导电层上形成负极，放电时所述锂离子从相邻的电池单元的导电层上回到所述正极活性材料中。本实用新型专利技术的制作工艺简单且安全，可以制作能量密度更高的电池。

Bipolar solid state lithium ion battery

【技术实现步骤摘要】
双极固态锂离子电池
本技术涉及电池，尤其涉及一种无基材双极固态锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池作为高能量密度的可充电电池，已经广泛的应用在生活的方方面面，从电子产品，生活用品到交通工具，到处都有锂离子电池的影子。虽然锂离子的电池已经是所有可充电电池中能量密度较高的品类，但仍然满足不了用户追求更长待机时间的需求，因此，开发能量密度更高的电池产品，成为工业界的急迫需求。固态电池锂离子电池作为理论上能量密度最高的电池，在工业界和理论界已经经过长期的讨论，实验和尝试，但目前为止，还没有成功商业化的产品。究其原因，除了在化学材料技术上目前还有些壁垒需要攻破，目前的固态电池设计方式和工艺路线，由于其使用真空蒸镀，速度相当缓慢，需要非常高的能耗，即使一颗20mAh的固态电池，其成本基本上和中央处理器一样，这导致固态锂离子电池的商业化非常缓慢。现有的固态锂离子电池通常都是在铜箔或者不锈钢箔（也叫基材）上沉积正极活性材料，然后负极使用锂金属涂覆在集流体上，然后在面积较大的方向上进行平行堆叠，然后集流体之间进行并联连接，从而形成多层并联的电池芯。或者是将阳极材料沉积在集流体的一侧表面，锂金属层涂在集流体的另一侧，从而形成双极的锂离子电池单元。这些方法制成的固态锂离子电池需要在操作中直接处理锂金属，非常不安全，而且存在集流体、锂金属层和活性材料层的膨胀率不同等问题。在常规的固态电池设计中，由于采用金属基材作为载体，金属基材必须在高温环境下保持形状不变，因此需要选择较厚的基材，这直接影响电池的体积能量密度，这和追求的方向背道而驰。由于锂金属密度较低，在充放电过程中，锂金属层的体积膨胀或者收缩较大，容易造成电极层之间的脱离，或者需要用非常巨大的压力来确保电极层之间保持一定的接触。况且，由于真空蒸镀技术的速度较慢，需要非常长时间来生成较厚的活性材料层，且该沉积过程中易形成晶体方向无序的结构，这降低了活性材料本身的离子导电率，降低了产品的功率。这也在一定程度上限制了固态锂离子电池的应用场景。因此，如何提供一种安全、有效的解决锂金属膨胀、工艺简单、低成本、高能量密度的固态离子电池是业界亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述技术问题，本技术提出了固态锂离子电池。本技术的双极电池使用这样的设计，其中多个单独的电化学电池堆叠，其中双极板串联连接电化学电池。通常，每个双极板在双极板的第一侧面上具有正电极材料，在双极板的与第一侧面相对的第二侧面上具有负电极材料，这就是一个电池单元的结构。这样，当双极板分离两个相邻的电化学电池时，它用作一个电化学电池的负极集电板和用作第二电化学电池的正极集电板。双极板允许电流在充电和放电期间在相邻的电化学电池之间流动，并且还在电化学电池之间提供电化学隔离，使得相邻电化学电池之间不会通过双极板发生离子流动。与传统的单极电池单元（其中金属接头用于连接串联连接的电池单元的集电板）相比，电子在双极板上行进非常短的距离，而不是通过金属接头在单元外部行进。这可以导致更均匀的电流密度和更高的功率设计。根据本技术公开的实施例提供了一种用于双极电池的电池单元的设计，其集合以下功能：1）将电化学电池与电池组中的其他电化学电池电化学隔离，以及2）适应电池在垂直于集电板的方向z轴的膨胀。（3）在充电过程中形成负极。本技术提出的固态锂离子电池，包括至少一个单元组，所述单元组包括至少两个层叠串联的电池单元；所述电池单元包括：正极活性材料层，贴附在所述正极活性材料层一侧的固态的电解质层，贴附在所述正极活性材料层另一侧的具有电子导电性且不具有离子导电性的导电层；充电时所述锂离子从一个电池单元的正极活性材料层析出经过电解质层沉积在其相邻的电池单元的导电层上形成负极，放电时所述锂离子从相邻的电池单元的导电层上回到所述正极活性材料中。优选的，所述电池单元之间可以通过导电胶和软性导电材料连接。优选的，所述电解质层四周设有绝缘层。在一个实施例中，所述电解质层靠近另一电池单元的表面四周设有绝缘层。在另一个实施例中，所述绝缘层与所述电解质层位于同一平面且将所述电解质层包围在其内。优选的，所述单元组可沿着金属层或电解质层指向的第一方向和/或沿着与所述第一方向垂直的第二方向堆叠单元组形成所述双极固态锂离子电池，且所述固态锂离子电池在第三方向上的长度保持不变。具体的，当所述双极固态锂离子电池包括沿着所述第一方向堆叠的多个单元组时，所述单元组之间设有绝缘层，各单元组通过集流体并联。优选的，所述双极固态锂离子电池的外表面设有限制各单元组往第一、第二方向膨胀的金属外箍层，所述金属外箍层内在第一方向和第三方向上设有包裹所述堆叠的单元组的绝缘层。具体的，所述正极活性材料内混合有导电结构材料，所述导电结构材料包括：金属导电网或碳纳米管网，所述导电层为金属层或半导体层，所述电解质层采用锂磷氧氮或者Li5La3Ta2O12制成。所述金属导电网采用的金属为Cu、Ni、不锈钢、Ai当中的任意一种或多种复合材料，所述金属层采用的金属为Cu、Ni、不锈钢、Ti钛当中的任意一种或多种复合材料。本技术的锂离子电池在静止状态下（非充放电状态），仅仅只有一个电极元件，因此简化了工艺的制作方法，不需要像传统锂离子电池一样，需要正电极、负电极、隔膜纸多零件进行堆叠且需要非常高精度控制零件的相对位置；由于金属锂层形成于第一次充电的，因此在电池的制造过程中，不需要专门去处理锂金属，使整个制造过程的环境安全保证更加简单；由于负极直接使用锂金属，在过充状态下，也是锂金属的沉积，因此，对电池过充的保护不需要像传统锂离子电池一样，需要确保电池不出现锂沉积，因此，可以简单处理电池之间平衡的问题。电池的单元组在层叠过程中没有集流体，只在并联连接的时候使用集流体，避免电池材料膨胀率不同，也正是因为电池本身的结构中不存在集流体和锂阳极，因此可以最大化提高电池能量密度，此外，本申请的堆叠方式也可以减少电池的膨胀总力，可以设计为类似芯片的固态包装，具有针脚用于和电路板连接。附图说明下面结合实施例和附图对本技术进行详细说明，其中：图1是本技术的电池单元的结构示意图。图2是本技术充电时锂离子运动方向示意图。图3是本技术放电时锂离子运动方向示意图。图4是本技术堆叠单元组的一实施例的示意图。图5是本技术绝缘层结构的一实施例的示意图。图6是本技术绝缘层结构的另一实施例的示意图。图7是本技术绝缘层与集流体的正面示意图。图8是本技术电池的制作方法流程图。具体实施方式下面结合附图详细说明本技术的原理及实施例。本技术的固态锂离子电池包含至少一个单元组。每个单元组包含至少两个电池单元。如图1所示，本技术的电池单元1由三层结构组成，左侧是导电层20，中间是正极活性材料层10，右侧是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极固态锂离子电池，其特征在于，包括至少一个单元组，所述单元组包括至少两个层叠串联的电池单元；/n所述电池单元包括：正极活性材料层，贴附在所述正极活性材料层一侧的固态的电解质层，贴附在所述正极活性材料层另一侧的具有电子导电性且不具有离子导电性的导电层；/n充电时所述锂离子从一个电池单元的正极活性材料层析出经过电解质层沉积在其相邻的电池单元的导电层上形成负极，放电时所述锂离子从相邻的电池单元的导电层上回到所述正极活性材料中。/n

【技术特征摘要】
1.一种双极固态锂离子电池，其特征在于，包括至少一个单元组，所述单元组包括至少两个层叠串联的电池单元；
所述电池单元包括：正极活性材料层，贴附在所述正极活性材料层一侧的固态的电解质层，贴附在所述正极活性材料层另一侧的具有电子导电性且不具有离子导电性的导电层；
充电时所述锂离子从一个电池单元的正极活性材料层析出经过电解质层沉积在其相邻的电池单元的导电层上形成负极，放电时所述锂离子从相邻的电池单元的导电层上回到所述正极活性材料中。


2.如权利要求1所述的双极固态锂离子电池，其特征在于，所述电池单元之间通过导电胶或者导电弹性材料连接。


3.如权利要求1所述的双极固态锂离子电池，其特征在于，所述电解质层四周设有离子和电子绝缘层。


4.如权利要求3所述的双极固态锂离子电池，其特征在于，所述电解质层靠近另一电池单元的表面四周设有离子和电子绝缘层。


5.如权利要求3所述的双极固态锂离子电池，其特征在于，所述绝缘层与所述电解质层位于同一平面且将所述电解质层包围在其内或者绝缘层在电解质层之上并把电解质层包围在其内。


6.如权利要求1所述的双极固态锂离子电池，其特征在于，所述单元组可沿着...

【专利技术属性】
技术研发人员：余玉英，
申请(专利权)人：邦泰宏图深圳科技有限责任公司，
类型：新型
国别省市：广东;44