固态电池层结构及其生产方法技术

提供了一种固态电池层结构(100)，包括：阳极集电体金属层(110)；布置在该阳极集电体金属层上的阳极层(120)；横向地布置在该阳极层上的固体电解质层(140)；布置在该固体电解质层上的阴极层(150)；以及阴极集电体金属层(160)，以及包括硅和/或氮化镓的多个纳米线结构(130)，其中，所述纳米线结构(130)布置在该阳极层(120)上，并且其中，所述纳米线结构(130)被该固体电解质层(140)横向地和竖直地包围，其中，该阳极层包括硅和将该多个纳米线结构与该阳极集电体金属层(110)连接的多个金属过孔(224)。还提供了用于生产固态电池层结构的方法。构的方法。构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态电池层结构及其生产方法


[0001]本专利技术涉及固态电池层结构及其制造方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池技术利用其高电荷容量水平和可充电性，已经使电能的存储进化，并在使能比如便携式计算机和电话等移动电子设备方面发挥了重要作用。锂离子电池对于电动车辆的复兴也很重要。然而，到目前为止，常规的锂离子电池技术也存在其自身的一系列问题。为了实现电池改进，基本上在整个板上，具有固体电解质而不是传统的液体电解质的电池设备设计越来越受欢迎。包括固体电解质的电池通常被称为固态电池。虽然固体电解质可能对于例如降低电池的火灾风险非常有利，但是还需要在形态和材料方面进行新颖的电池设计，以实现与液体电解质电池相比改进性能的全部潜力。特别地，提高固态电池电荷容量(定义为可存储电荷与电池重量的比率)在现有技术中尚未得到充分解决。此外，材料相关的体积膨胀是现有技术固态电池面临的另一个问题。因此，需要在
内进行改进。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是至少缓解上述问题中的一些问题并提供能够提高电池电荷容量的固态电池层结构以及制造这类结构的方法。
[0004]根据本专利技术的第一方面，提供了一种固态电池层结构，该固态电池层结构包括：
[0005]阳极集电体金属层；
[0006]布置在阳极集电体金属层上的阳极层；
[0007]横向地布置在阳极层上的固体电解质层；
[0008]布置在固体电解质层上的阴极层；以及
[0009]阴极集电体金属层，
[0010]其中，阳极层包括硅。
[0011]术语“布置在
……
上”可以指使层或结构在层结构或堆叠体的竖直方向上布置在彼此之上。竖直方向可以基本上垂直于并且正交于层结构中的层或结构的表面。词语“包括”贯穿本披露内容可以指层和结构至少部分地包括某种材料。该词语不排除层或结构包含其他材料的杂质，也不排除层或结构基本上由所包括的材料组成。
[0012]这种结构可以缓解现有技术中的问题中的一些问题。硅阳极可能对于增加例如基于锂离子的电池的电荷容量是有利的。这是因为硅原子(通常被合金化以形成复合阳极材料)比常规石墨阳极中的碳原子更好地结合锂原子并因此保持较大数量的锂原子。电池电荷容量可以以安培小时或库仑为单位记录。此外，使用硅阳极可以简化电池层结构的生产并提高产量，因为可以利用微电子制造中常用的复杂技术和方法。如此，可以有效地小型化固态电池。硅阳极可以基于单晶衬底。如此，固态电池层结构可以与基于硅的微电子器件更一体地形成。因此，具有集成的固态电池的电子电路和设备可以被使能和小型化。
[0013]阳极层可以包括氮化镓。
[0014]在阳极层中使用氮化镓，例如作为阳极层的薄上部层(否则该阳极层主要包括硅)，可以缓解现有技术中的问题。具有氮化镓阳极材料的固态电池的电荷容量可以是具有常规石墨阳极的固态电池的电荷容量的大约2.5倍。氮化镓阳极的锂离子扩散的扩散势垒(diffusion barrier)与石墨阳极的相同势垒相比也可以更低。这对于快速电池充电可能是有利的。
[0015]固态电池层结构可以进一步包括多个纳米线结构，其中，所述纳米线结构布置在阳极层上，并且其中，所述纳米线结构被固体电解质层横向地和竖直地包围。
[0016]术语“纳米线结构”(也只称为纳米结构)可以指比如直径或长度等尺寸在纳米尺度(即1nm至100nm)上的长形结构。纳米线结构可以是简单的且基本上一维的，或者沿其长度包含至少一个节点，至少两个单独的分支从该至少一个节点延伸。这种纳米线结构可以称为纳米树或纳米线树结构。
[0017]术语“横向地和竖直地包围”可以指横向地(laterally)或径向地和竖直地或纵向地包围纳米线结构。整个纳米线结构(包含所有最终的分支、面和表面)可以被形成固体电解质层的固体电解质材料覆盖。
[0018]这种纳米线结构的添加可以有利地增加阳极与固体电解质之间的有效界面面积，并且因此也增加电池电荷容量，并且还可能增加携带离子(例如锂离子)的电荷可以与阳极材料合金化的速率。此外，使用纳米线结构可以缓解一些材料在电池运行期间的体积膨胀。例如体硅阳极在锂化(即当电荷载体为锂离子时为电池充电的过程)期间可能膨胀300％至400％。比如纳米线等纳米结构是有利的，因为它们的体积膨胀可能比体材料的体积膨胀严重程度要低得多。纳米结构的这种优势可能归因于与当体层作为单件膨胀时相比，纳米结构的体积膨胀更局部且更分散。这种体积膨胀问题的缓解可能对于固体电解质电池更相关，因为固体通常比液体允许更少的机械移动。此外，纳米结构(比如这些纳米结构)可以以结构化和明确定义的方式生产，并且即使不规则会以某种方式发生，有效界面面积仍可以增加。
[0019]所述多个纳米线结构中的每个纳米线结构可以包括竖直主干和从所述竖直主干延伸的多个分支，其中，所述多个纳米线结构的竖直主干垂直于阳极层的顶表面布置。
[0020]术语“垂直布置”可以指布置整个纳米线结构，并且尤其是竖直主干，使得它们在与阳极层的顶表面基本垂直和正交的方向上延伸。该方向可以替代性地理解为对应于层结构的竖直方向。包含树形纳米线结构(树形纳米线结构包括主干和分支两者)可以进一步增加阳极与固体电解质之间的有效界面面积以及电池电荷容量。此外，树形纳米线结构可以进一步缓解上述体积膨胀问题。
[0021]多个树形纳米线结构或纳米树可以在视觉上与纳米森林比较或相比。
[0022]所述多个纳米线结构可以包括硅。
[0023]由于许多可用的硅形成和处理方法，因而此类纳米线结构可能对于相对容易形成是有利的。由于硅纳米线结构将有效地延伸阳极，因此与使用硅作为阳极材料的优势相同的优势适用，即可以增加电荷容量。
[0024]所述多个纳米线结构可以包括氮化镓。
[0025]与上述类似，延伸阳极的氮化镓纳米线结构也可以提高固态电池的电荷容量。
[0026]阳极层可以包括将多个纳米线结构与阳极集电体金属层连接的多个金属过孔。
[0027]如此，可以向纳米线结构的基部提供较低电阻或更多欧姆的传导路径。
[0028]固体电解质层可以包括磷酸锂。
[0029]磷酸锂或包括磷酸锂的化合物可以被认为是用于固态电池层结构中的固体电解质层的有利材料。磷酸锂可以允许锂离子通过经由固体电解质材料晶格中的原子空位的固态扩散在固态电池的阳极与阴极之间传输。
[0030]阴极层可以包括钴酸锂或另一种金属氧化物。
[0031]钴酸锂可以被认为是用于阴极层的有利材料。
[0032]阴极集电体金属层可以包括铝。
[0033]铝可以为阴极层提供低电阻或足够欧姆的传导路径。
[0034]阳极集电体金属层可以包括铜。
[0035]铜可以为阳极层(以及如果存在的话，也为纳米线结构)提供低电阻或足够欧姆的传导路径。
[0036]根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于生产固态电池层结构的方法，该方法包括：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种固态电池层结构(100)，包括：阳极集电体金属层(110)；布置在该阳极集电体金属层上的阳极层(120)；横向地布置在该阳极层上的固体电解质层(140)；布置在该固体电解质层上的阴极层(150)；以及阴极集电体金属层(160)；以及包括硅和/或氮化镓的多个纳米线结构(130)，其中，所述纳米线结构(130)布置在该阳极层(120)上，并且其中，所述纳米线结构(130)被该固体电解质层(140)横向地和竖直地包围，其中，该阳极层包括硅和将该多个纳米线结构与该阳极集电体金属层(110)连接的多个金属过孔(224)。2.根据权利要求1所述的固态电池层结构，其中，该阳极层包括氮化镓。3.根据权利要求1或2所述的固态电池层结构，其中，所述多个纳米线结构中的每个纳米线结构包括竖直主干(132)和从所述竖直主干延伸的多个分支(134)，其中，所述多个纳米线结构的竖直主干垂直于该阳极层的顶表面(122)布置。4.根据权利要求1至3中任一项所述的固态电池层结构，其中，该固体电解质层包括磷酸锂。5.根据权利要求1至4中任一项所述的固态电池层结构，其中，该阴极层包括钴酸锂或另一种金属氧化物。6.根据权利要求1至5中任一项所述的固态电池层结构，其中，该阴极集电体金属层包括铝。7.根据权利要求1至6中任一项所述的固态电池层结构，其中，该阳极集电体金属层包括铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁，
申请(专利权)人：艾普诺瓦泰克公司，
类型：发明
国别省市：