具有嵌套阵列结构的固态电池电芯及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其包括正极、负极和固态电解质层，其中，固态电池电芯还包括导电层；正极包括正极集流体和负载于正极集流体上的至少两个正极区，其中各个正极区之间是不连续的且具有间隔区，正极区的表面具有盲孔或者通孔；导电层由充满间隔区的导电材料形成；固态电解质层附着于所述盲孔或者通孔的整个表面上；负极包括至少两个负极区和与所述负极区形成电连接的负极集流体。本发明专利技术还提供制备本发明专利技术的固态电池电芯的方法。本发明专利技术还提供一种串联结构的固态电池电芯，其由至少两个电芯子单元通过连接端子串联构成。本发明专利技术的固态电池电芯在组装时电极与电解质接触面积大且可自由组合串并联。极与电解质接触面积大且可自由组合串并联。极与电解质接触面积大且可自由组合串并联。

【技术实现步骤摘要】
具有嵌套阵列结构的固态电池电芯及其制备方法


[0001]本专利技术属于储能
具体地，本专利技术涉及具有嵌套阵列结构的固态电池电芯及其制备方法。

技术介绍

[0002]固态电池作为下一代电池设计，得到了广泛关注。固态电池区别于传统锂离子电池使用固体电解质代替液态电解液传输离子。为确保电解质能够稳定发挥作用，电池内部需要能够维持一定压力，以确保固
‑
固界面保持紧密连接，因此在组装电池时需要施加较大压力。同时，由于内部缺少连续导电通路，电池电子极化产生将影响电池倍率性能。
[0003]传统电池结构的正负极和电解质为平行结构。这种大平面超薄电解质层结构极易形成电池内部短路。
[0004]目前急需一种电极与固态电解质接触面积大、电池内部不易短路并且可自由组合串并联的电芯结构。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种具有嵌套阵列结构的固态电池电芯及其制备方法。本专利技术提供的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯将电芯分割成巨大数量的微小单元，能够剔除制造时少量有缺陷的单元并且根据设计电压的要求，可以自由组合进行串并联。
[0006]本专利技术的上述目的是通过如下技术方案实现的。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其包括正极、负极和固态电解质层，其中，所述固态电池电芯还包括导电层；
[0008]所述正极包括正极集流体和负载于所述正极集流体上的至少两个正极区，其中各个正极区之间是不连续的且具有间隔区，所述正极区的表面具有盲孔或者通孔；
[0009]所述导电层由充满所述间隔区的导电材料形成；
[0010]所述固态电解质层附着于所述盲孔或者通孔的整个表面上；
[0011]所述负极包括至少两个负极区和与所述负极区电连接的负极集流体，其中，所述负极区由充满附着有固态电解质层的盲孔或者通孔的负极材料形成，所述负极集流体设置于所述负极区的表面上并与所述负极区形成电连接。
[0012]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述正极区的表面上设置有电绝缘材料层，以使所述正极区与所述负极集流体电绝缘。在本专利技术中，正极区的表面上设置有电绝缘材料层指电绝缘材料层覆盖正极区表面或覆盖并延伸超出正极区表面。
[0013]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述电绝缘材料层在与所述至少两个负极区相对应的位置具有通孔，所述负极集流体具有与所述通孔相匹配的凸出部，以贯穿所述电绝缘材料层与所述至少两个负极区电连接。
[0014]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述盲孔或者通
孔的形状为圆柱形、棱锥、截头圆锥形或棱柱形。
[0015]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述导电材料选自但不限于石墨烯、非晶碳薄膜、TiN、Al、Fe、Cd、Zr、Cu3Sn和Ti中的一种或几种。
[0016]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述正极区具有侧壁，其中侧壁的厚度为1
‑
2000μm，优选为1
‑
600μm；优选地，所述固态电解质层的厚度为2
‑
200μm；优选为2
‑
50μm。
[0017]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述相邻两个正极区之间的间隔区的距离为50
‑
1000μm。
[0018]优选地，在本专利技术所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯中，所述负极集流体的厚度为1
‑
50μm，优选为1
‑
20μm。
[0019]第二方面，本专利技术提供制备本专利技术的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯的方法，其包括如下步骤：
[0020](1)将导电材料负载到具有蜂巢结构的框模具内外，并且与正极集流体贴合，以使得所述导电材料形成导电层；
[0021](2)在所述导电层内部设置正极材料，形成具有盲孔或者通孔的至少两个正极区，干燥或挤压成型后去除所述具有蜂巢结构的框模具；
[0022](3)然后，对步骤(2)中得到的结构进行压实处理；
[0023](4)在所述盲孔或者通孔的整个表面附着固态电解质层；
[0024](5)用负极材料填充附着有固态电解质层的盲孔或者通孔形成负极区；
[0025](6)将负极集流体与所述负极区电连接；
[0026](7)任选地，在所述步骤(6)之前，在所述正极区的表面形成电绝缘材料层。
[0027]第三方面，本专利技术提供一种串联结构的固态电池电芯，其由至少两个电芯子单元通过连接端子串联构成(参见图4)，所述电芯子单元包括本专利技术的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯。
[0028]在本专利技术的一个具体实施方案中，正极材料、负极材料和电解质为同轴管状结构排列。
[0029]在本专利技术的一个具体实施方案中，制备本专利技术的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯的方法包括以下步骤：在正极集流体表面制备具有蜂巢结构的导电层；将正极浆料填充进入导电层中，干燥后撤走结构框，留下导电层；使用激光刻蚀或模板冲压对所述正极加工处理，形成类等距通孔圆柱阵列；使用掩模遮盖所述圆柱阵列的非沉积区，通过溅射或表面喷涂形成连续电解质层。
[0030]在本专利技术的一个具体实施方案中，使用正极浆料填充圆柱通孔，使用圆柱凸型模具对正极赋型，或对填充满的正极进行激光烧蚀形成具有盲孔或者通孔的正极区。
[0031]在本专利技术的一个具体实施方案中，去除衬底后，会导致导电层之间留有缝隙。对去除衬底的结构进行压实处理可以使得导电层之间的缝隙闭合。
[0032]在本专利技术的一个具体实施方案中，将复合固体电解质浆料或溶解的固态电解质负载在正极区上表面和筒状正极区内部填充固体电解质，通过压力对电解质赋型并热处理以形成附着有固态电解质层的盲孔或者通孔。
[0033]在本专利技术的一个具体实施方案中，采用冷轧或熔融法向筒状固体电解质界面内部
注入负极材料。电解质和负极材料的界面可做或不做处理，优选采用金属混合电导层进行修饰。
[0034]在本专利技术的一个具体实施方案中，可以采用本领域的常规方法来制备本专利技术所期望的负极集流体，比如参照专利申请201410440238.6中公开的方法。
[0035]在本专利技术的一个具体实施方案中，负极集流体和正极集流体可于顶部采用分层封装结构单侧，也可在顶部和底部双侧引出，优选为单侧引出形成片内串或并联。
[0036]在本专利技术的一个具体实施方案中，封装采用绝缘阻水阻氧薄膜，通过热压与电池形成封装，封装后去除极耳处封装材料形成固态电池。
[0037]本专利技术具有如下有益效果：
[0038]一方面，本专利技术的固态电池电芯具有电极与固态电解质接触面积大的特点。另一方面，本专利技术的固态电池电芯不易短路，并且还能够克服循环后电极体积效应引起结构破坏的问题。此外，本专利技术提供的具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其包括正极、负极和固态电解质层，其中，所述固态电池电芯还包括导电层；所述正极包括正极集流体和负载于所述正极集流体上的至少两个正极区，其中各个正极区之间是不连续的且具有间隔区，所述正极区的表面具有盲孔或者通孔；所述导电层由充满所述间隔区的导电材料形成；所述固态电解质层附着于所述盲孔或者通孔的整个表面上；所述负极包括至少两个负极区和与所述负极区电连接的负极集流体，其中，所述负极区由充满附着有固态电解质层的盲孔或者通孔的负极材料形成，所述负极集流体设置于所述负极区的表面上并与所述负极区形成电连接。2.根据权利要求1所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其中，所述正极区的表面上设置有电绝缘材料层，以使所述正极区与所述负极集流体电绝缘。3.根据权利要求2所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其中，所述电绝缘材料层在与所述至少两个负极区相对应的位置具有通孔，所述负极集流体具有与所述通孔相匹配的凸出部，以贯穿所述电绝缘材料层与所述至少两个负极区电连接。4.根据权利要求1所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其中，所述盲孔或者通孔的形状为圆柱形、棱锥、截头圆锥形或棱柱形。5.根据权利要求1所述的具有嵌套阵列结构的固态电池电芯，其中，所述导电材料选自石墨烯、非晶碳薄膜、TiN、Al、Fe、Cd、Zr、Cu3Sn和Ti中的一种或几种。6.根据权利要求1所述的具有嵌套阵列结...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞海龙，黄学杰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：