全固态薄膜锂离子电池的制备方法及全固态薄膜锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法及全固态薄膜锂离子电池，涉及全固态薄膜锂电池技术领域。该方法包括以下步骤：(a)采用涂膜方式在正极集流体上制备正极薄膜；(b)在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜；(c)在电解质薄膜基础上制备负极薄膜和负极集流体薄膜，得到全固态薄膜锂离子电池。该方法以涂膜方式制备正极薄膜缓解了磁控溅射制备正极薄膜效率低的缺陷，有利于提高单体电池容量，进而在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜，缓解了全固态电池存在正极与电解质之间的界面以及电解质离子电导率低的问题，全固态薄膜锂离子电池制备方法效率高，得到的单体电池容量高。

【技术实现步骤摘要】
全固态薄膜锂离子电池的制备方法及全固态薄膜锂离子电池
本专利技术涉及全固态薄膜锂电池
，具体而言，涉及一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法及全固态薄膜锂离子电池。
技术介绍
全固态薄膜锂离子电池主要由阴、阳电子集流体薄膜、阴极薄膜、电解质薄膜以及阳极薄膜组成。全固态薄膜锂离子电池基本工作原理和其它锂离子电池一样，即通过放电过程将电池的化学能转化为电能，然后借助外电源反向通电的充电过程使电源恢复到原来的状态。电池的正、负极材料通常为具有层状结构、网状结构或隧道结构的物质，负极也可以是金属锂或易与锂形成合金的材料以及其他化合物；电解质为固态无机锂离子导体，锂离子电迁移数接近1.0，锂离子在电场的作用下通过固态电解质的网状结构或缺陷进行传递。充电时正极中的锂离子从晶格中脱嵌，在电解质中向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。放电过程与充电过程恰好相反，此时电子通过外电路形成电流而驱动电子器件。全固态薄膜锂离子电池是通过各种薄膜沉积技术将不同性质的薄膜先后沉积在基片上制成的。目前薄膜的制备方法主要分为化学法和物理气相沉积法。化学法包括溶胶-凝胶旋涂法、静电喷雾热解法、化学气相沉积法和等离子体增强化学气相沉积法等。虽然化学法具有成本较低的优点，但由于控制参数较多，不易得到符合化学计量比的高质量薄膜。物理气相沉积法(PVD)主要包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法(PLD)和真空热蒸发等，目前报道的具有优良电化学性能的薄膜电池大多采用物理气相沉积法获得。根据沉积材料和薄膜性能的不同，需要选择合适的PVD沉积方法，例如阴极薄膜和固态电解质薄膜常采用射频磁控溅射法和脉冲激光沉积法，而阳极薄膜(如金属锂)则常采用真空热蒸发法和直流溅射法等。现有制备方法存在以下问题：一方面，对于正极薄膜，专利CN101931097A利用磁控溅射进行脉冲直流溅射钴酸锂正极薄膜，然后在此基础上进行电解质与负极的溅射。但此方法中，磁控溅射制备效率低，制备的最大速度为2微米/小时，而且此方法制备成本高，大规模生产受限。另一方面，对于电解质薄膜，常规全固态电池是利用冷压的方式进行正极、电解质、负极的结合，但这种方式存在着严重的界面问题，因为挤压难以真正意义上实现固-固接触，中间一般会存在气相界面(即固-气-固界面)，大大增加了界面电阻。此外，常规固态电池电解质一般会超过100微米，膜厚较厚，降低了离子的传输能力。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，该方法在涂膜方式形成正极薄膜的基础上利用物理气相沉积方式进行电解质的制备，以涂膜方式制备正极薄膜缓解了磁控溅射制备正极薄膜效率低的缺陷，有利于提高单体电池容量，进而在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜，缓解了全固态电池存在着的正极与电解质之间的界面以及电解质离子电导率低的问题，全固态薄膜锂离子电池制备方法效率高，得到的单体电池容量高。本专利技术的目的之二在于提供一种采用上述全固态薄膜锂离子电池的制备方法制备得到的全固态薄膜锂离子电池，得到的全固态薄膜锂离子电池单体电池容量高。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，提供了一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：(a)采用涂膜方式在正极集流体上制备正极薄膜；(b)在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜；(c)在电解质薄膜基础上制备负极薄膜和负极集流体薄膜，得到全固态薄膜锂离子电池。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，步骤(a)包括：将正极薄膜原料制成正极浆料涂覆于正极集流体上，形成正极薄膜，其中正极薄膜原料包括正极材料；优选地，正极浆料通过正极薄膜原料熔融而成；或，正极浆料通过正极薄膜原料与溶剂、任选的粘结剂和任选的导电剂混合而成。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，正极薄膜原料还包括电解质材料；将正极材料和电解质材料混合制成正极浆料涂覆于正极集流体上，形成正极薄膜；优选地，正极材料和电解质材料的质量比为(1-10):1，优选(2-8):1，进一步优选(4-8):1。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，步骤(b)中物理气相沉积方式包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法或等离子体辅助电子束蒸镀法，优选磁控溅射法。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，步骤(c)中负极薄膜的制备方法包括真空热蒸镀法、磁控溅射法、电沉积法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法或溶胶-凝胶法；优选地，负极集流体薄膜的制备方法包括磁控溅射法或真空热蒸镀法。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，正极薄膜原料中的正极材料包括LiMn2O4、LiFePO4、LiCoO2、LiNi0.5MnO4或LiCoMnO4中的一种或至少两种的组合。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，电解质材料构成电解质薄膜，电解质材料包括LiPON、Li7La3Zr2O12、LiBO3、LiPO4、Li3OX或LiTi2(PO4)3中的一种或至少两种的组合；优选地，电解质薄膜的厚度为1-10μm。优选地，在本专利技术提供的技术方案的基础上，负极材料构成负极薄膜，负极材料包括金属锂、合金类或氧化物中的一种或至少两种的组合；优选地，合金类包括锂合金和/或硅基合金；优选地，合金类包括LiAl、Si37C63、SiCu或Li2SiS3中的一种或至少两种的组合；优选地，氧化物包括Li4Ti5O12、TiO2、SnO2、SnO或Co3O4中的一种或至少两种的组合。优选地，一种典型的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：(a)将正极材料和电解质材料按照质量比(2-8):1混合制成正极浆料，将正极浆料以涂膜方式涂覆于正极集流体上，形成正极薄膜；(b)在正极薄膜基础上采用磁控溅射方式制备电解质薄膜；电解质薄膜的厚度为1-10μm；(c)在电解质薄膜基础上采用真空热蒸镀方式或磁控溅射方式制备负极薄膜，再采用磁控溅射获得负极集流体薄膜，通过封装后得到全固态薄膜锂离子电池。第二方面，提供了一种上述全固态薄膜锂离子电池的制备方法制备得到的全固态薄膜锂离子电池。与已有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术提供的全固态薄膜锂离子电池的制备方法在涂膜方式形成正极薄膜的基础上利用物理气相沉积方式进行电解质的制备，一方面，以涂膜方式制备正极薄膜提高了正极材料的制备效率，降低正极材料制备成本，有利于提高单体电池容量，利用涂膜方式制备正极材料薄膜，在此基础上制备电解质以及负极可极大提高全固态薄膜锂离子电池的制备效率与单体电池容量。另一方面，在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜，电解质与正极之间实现了真正的固固接触，既存在物理意义上的连接，又存在化学意义上的连接，缓解了全固态电池存在着的正极与电解质之间的存在界面电阻以及电解质离子电导率低的问题。该方法大大降低了正极与电解质之间的界面问题。此外，进行溅射的电解质薄膜可以做到比较薄(1-10微米)，而常规固态电池电解质一般会超过100微米，将电解质薄膜化可以大大提高离子的传输能力，有效地缓解了常规固态电池的倍率性能差的问题，达到快速充电的效果。本专利技术制备全固态薄膜锂离子电池的方法制备效率高、成本低，得到的全固态薄膜锂离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)采用涂膜方式在正极集流体上制备正极薄膜；(b)在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜；(c)在电解质薄膜基础上制备负极薄膜和负极集流体薄膜，得到全固态薄膜锂离子电池。

【技术特征摘要】
1.一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)采用涂膜方式在正极集流体上制备正极薄膜；(b)在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜；(c)在电解质薄膜基础上制备负极薄膜和负极集流体薄膜，得到全固态薄膜锂离子电池。2.按照权利要求1所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(a)包括：将正极薄膜原料制成正极浆料涂覆于正极集流体上，形成正极薄膜，其中正极薄膜原料包括正极材料；优选地，正极浆料通过正极薄膜原料熔融而成；或，正极浆料通过正极薄膜原料与溶剂、任选的粘结剂和任选的导电剂混合而成。3.按照权利要求1所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，正极薄膜原料还包括电解质材料；将正极材料和电解质材料混合制成正极浆料涂覆于正极集流体上，形成正极薄膜；优选地，正极材料和电解质材料的质量比为(1-10):1，优选(2-8):1，进一步优选(4-8):1。4.按照权利要求1所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(b)中物理气相沉积方式包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法或等离子体辅助电子束蒸镀法，优选磁控溅射法。5.按照权利要求1所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(c)中负极薄膜的制备方法包括真空热蒸镀法、磁控溅射法、电沉积法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法或溶胶-凝胶法；优选地，负极集流体薄膜的制备方法包括磁控溅射法或真空热蒸镀法。6.按照权利要求2-5任一项所述的全固态薄膜锂离子电池的制备方法，其特征在于，正极薄膜原料中的正极材料包...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晖，孙硕，夏求应，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