单节高电压薄膜锂电池的制作方法

1.本发明涉及大规模储能、动力能源领域，特别是涉及单节高电压薄膜锂电池。


背景技术：

2.现有的锂离子电池储能系统采用液体电解质，存在着易泄露、易腐蚀、服役寿命短、安全性差、可靠性低等问题，不能完全满足规模化工业储能在安全性方面的要求。以固体电解质替代液态电解液的全固态锂电池，有效地彻底解决了电池的安全性问题，还解决了传统锂离子电池能量密度偏低和服役寿命偏短的关键问题。
3.全固态锂电池，又称全固态锂二次电池，即电池各单元，包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池。全固态锂电池的构造比传统锂离子电池简单，固态电解质除了传导锂离子，也充当了隔膜的角色，具有机械强度高、不含易燃、易挥发成分、无漏液隐患，抗温性能好等优点。全固态锂电池可由无机材料制成，易于实现大规模制备以满足大尺寸电池的需要，且电池的结构组成较为简单。
4.然而，固态材料由于具有一定的刚性和强度，在组成电池时，不同固态材料的各个接触面不能完全达到紧密无间隙地完全贴合，使得全固态锂电池的接触面电阻非常高，从而显著降低了电池的性能，这导致全固态电池的能量密度、比能量、比功率、能量效率以及能量保持率均有限，目前的应用主要局限于小型系统的电源，尚无法应用于大容量储能系统，这是全固态电池制造中难以克服的难题。
5.发明人认识到，在全固态锂电池中引入薄膜制造技术，组成薄膜形式的全固态电池，就能完全避免电池内界面接触的问题。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是要提供一种至少部分地解决上述问题的单节高电压薄膜锂电池。
7.本发明一个进一步的目的是要提高单节薄膜锂电池的电压值。
8.特别地，本发明提供了一种单节高电压薄膜锂电池，包括：
9.集电极基材；
10.正极薄膜或者负极薄膜，沉积在集电极基材上；
11.依次交替沉积在正极薄膜或者负极薄膜上的固态电解质薄膜和离子导通隔膜层，其中，固态电解质薄膜和离子导通隔膜层分别为多个；
12.最外层固态电解质薄膜，沉积在位于最外层的离子导通隔膜层上；
13.负极薄膜或者正极薄膜，沉积在最外层固态电解质薄膜上；以及
14.集电极薄膜，沉积在负极薄膜或者正极薄膜上
15.可选地，当集电极基材上沉积正极薄膜时，在集电极基材上沉积的正极薄膜的膜厚为3000nm～18000nm。
16.可选地，当集电极基材上沉积负极薄膜时，在集电极基材上沉积的负极薄膜的膜
厚为1300nm～4800nm。
17.可选地，依次交替沉积在正极薄膜或者负极薄膜上的固态电解质薄膜的膜厚为300nm～1200nm，且离子导通隔膜层的膜厚为30nm～50nm。
18.可选地，最外层固态电解质薄膜的膜厚为300nm～1200nm。
19.可选地，当最外层固态电解质薄膜上沉积负极薄膜时，在最外层固态电解质薄膜上沉积的负极薄膜的膜厚为1300nm～4800nm。
20.可选地，当最外层固态电解质薄膜上沉积正极薄膜时，在最外层固态电解质薄膜上沉积的正极薄膜的膜厚为3000nm～18000nm。
21.可选地，集电极薄膜的膜厚为100nm。
22.可选地，依次交替沉积的固态电解质薄膜的数量和离子导通隔膜层的数量相同，且数量的大小根据薄膜锂电池的电压值进行确定。
23.可选地，在依次交替沉积的固态电解质薄膜和离子导通隔膜层中，固态电解质薄膜的膜厚相同，离子导通隔膜层的膜厚相同。
24.本发明的单节高电压薄膜锂电池，提供了一种新的薄膜锂电池的结构形式，通过在集电极基材上沉积正极薄膜或者负极薄膜、固态电解质薄膜、离子导通隔膜层、最外层固态电解质薄膜、负极薄膜或者正极薄膜以及集电极薄膜，得到全固态薄膜锂电池，能避免电池内界面接触的问题，有利于提高电池的能量密度、比能量、比功率、能量效率以及能量保持率。
25.进一步地，本发明的单节高电压薄膜锂电池，通过依次交替沉积固态电解质薄膜和离子导通隔膜层，以形成交替排布的多个固态电解质薄膜和多个离子导通隔膜层，这有利于提高单节薄膜锂电池的电压值，并且可以根据单节薄膜锂电池的电压值来沉积所需的固态电解质薄膜和离子导通隔膜层。
26.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
27.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
28.图1是根据本发明一个实施例的单节高电压薄膜锂电池的示意性结构图。
具体实施方式
29.图1是根据本发明一个实施例的单节高电压薄膜锂电池10的示意性结构图。本实施例的单节高电压薄膜锂电池10包括多层薄膜。单节高电压薄膜锂电池10一般性地可包括：集电极基材110、正极薄膜170或者负极薄膜130、依次交替沉积的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150、最外层固态电解质薄膜160、负极薄膜130或者正极薄膜170、以及集电极薄膜120。
30.集电极基材110作为其他各层薄膜的附着基底，例如，集电极基材110的材质可以为塑料薄膜、铜箔、铝箔或者碳纳米管或者其他软膜材料。
31.按照薄膜的沉积先后顺序，下面将针对除集电极基材110之外的其他各层薄膜进行详细介绍。
32.正极薄膜170或者负极薄膜130，沉积在集电极基材110上。在集电极基材110上，可以根据实际需要选择性地沉积正极薄膜170或者负极薄膜130。图1仅以在集电极基材110上沉积负极薄膜的情况进行示例，但不应视为对正极薄膜和负极薄膜的沉积顺序的限定。
33.依次交替沉积在正极薄膜170或者负极薄膜130上的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150，其中，固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150分别为多个。即，当在集电极基材110上沉积完毕正极薄膜170或者负极薄膜130之后，再依次交替沉积固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150。“依次交替沉积固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150”是指，先沉积固态电解质薄膜140，再沉积离子导通隔膜层150，然后重复执行“先沉积固态电解质薄膜140，再沉积离子导通隔膜层150”的步骤，从而形成依次交替排布的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150。离子导通隔膜层150起离子导通的作用，其材质可以根据实际需要进行设置，只要能够起到较好的离子导通作用即可。
34.例如，先沉积第一固态电解质薄膜140，接着沉积第一离子导通隔膜层150，然后沉积第二固态电解质薄膜140，接着沉积第二离子导通隔膜层150，再沉积第三固态电解质薄膜140，接着沉积第三离子导通隔膜层150，然后以此重复沉积后续所需的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150。
35.最外层固态电解质薄膜160，沉积在位于最外层的离子导通隔膜层150上。其中最外层的离子导通隔膜层150是指，在依次交替沉积的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150时最后沉积形成的离子导通隔膜层150。也就是说，在依次交替沉积固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150之后，再沉积一层固态电解质薄膜140，从而形成最外层固态电解质薄膜160。
36.负极薄膜130或者正极薄膜170，沉积在最外层固态电解质薄膜160上。
37.集电极薄膜120，沉积在负极薄膜130或者正极薄膜170上。即，在最外层固态电解质薄膜160上沉积负极薄膜130或者正极薄膜170之后，再沉积一层集电极薄膜120。在集电极基材110与正极薄膜170或者负极薄膜130之间也可以沉积一层集电极薄膜120。集电极薄膜120可以为石墨烯薄膜。石墨烯薄膜可以采用涂覆或者生长的方法得到。
38.本发明的单节高电压薄膜锂电池10，提供了一种新的薄膜锂电池10的结构形式，通过在集电极基材110上沉积正极薄膜170或者负极薄膜130、固态电解质薄膜140、离子导通隔膜层150、最外层固态电解质薄膜160、负极薄膜130或者正极薄膜170以及集电极薄膜120，得到全固态薄膜锂电池10，能避免电池内界面接触的问题，有利于提高电池的能量密度、比能量、比功率、能量效率以及能量保持率。
39.通过依次交替沉积固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150，以形成交替排布的多个固态电解质薄膜140和多个离子导通隔膜层150，这有利于提高单节薄膜锂电池10的电压值，并且可以根据单节薄膜锂电池10的电压值来沉积所需的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150，单节薄膜锂电池10的电压值灵活多变。
40.值得说明的是，在集电极基材110上依次沉积的各层薄膜，例如正极薄膜170、固态电解质薄膜140、离子导通隔膜层150以及负极薄膜130，分别采用磁控溅射方法沉积形成。
41.采用磁控溅射方法在集电极基材110上依次沉积各层薄膜材料，使得沉积形成的
各层薄膜材料之间结合紧密，具有极好的界面结合性和协调性，有非常低的界面内阻，减小了接触面电阻，有利于提高电池的能量密度、比能量、比功率、能量效率以及能量保持率。
42.当集电极基材110上沉积正极薄膜170时，在集电极基材110上沉积的正极薄膜170的膜厚为3000nm～18000nm，例如可以为3000nm、5000nm、10000nm或者18000nm。在一些可选的实施例中，正极薄膜170可以为钴酸锂。
43.当集电极基材110上沉积负极薄膜130时，在集电极基材110上沉积的负极薄膜130的膜厚为1300nm～4800nm，例如可以为1300nm、2000nm、3000nm或者4800nm。在一些可选的实施例中，负极薄膜130可以为锂或者锡合金。
44.依次交替沉积在正极薄膜170或者负极薄膜130上的固态电解质薄膜140的膜厚为300nm～1200nm，例如可以为300nm、500nm、1000nm或者1200nm，。离子导通隔膜层150的膜厚为30nm～50nm，例如可以为30nm、40nm或者50nm。在一些可选的实施例中，固态电解质薄膜140可以为磷酸锂。
45.依次交替沉积的固态电解质薄膜140的数量和离子导通隔膜层150的数量相同，且数量的大小根据薄膜锂电池10的电压值进行确定。例如，可以根据单节薄膜锂电池10的电压值来沉积所需的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150。至于单节薄膜锂电池10的电压值与所需的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150的数量关系，本领域技术人员在了解本实施例的基础上应当易于获知。
46.在依次交替沉积的固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150中，固态电解质薄膜140的膜厚相同，离子导通隔膜层150的膜厚相同。即，在依次交替沉积固态电解质薄膜140和离子导通隔膜层150的过程中，沉积的每层固态电解质薄膜140的膜厚相同，且沉积的每层离子导通隔膜层150的膜厚相同。
47.最外层固态电解质薄膜160的膜厚为300nm～1200nm，例如可以为300nm、500nm、1000nm或者1200nm。
48.当最外层固态电解质薄膜160上沉积负极薄膜130时，在最外层固态电解质薄膜160上沉积的负极薄膜130的膜厚为1300nm～4800nm，例如可以为1300nm、2000nm、3000nm或者4800nm。负极薄膜130可以为锂。
49.当最外层固态电解质薄膜160上沉积正极薄膜170时，在最外层固态电解质薄膜160上沉积的正极薄膜170的膜厚为3000nm～18000nm，例如可以为3000nm、5000nm、10000nm或者18000nm。正极薄膜170可以为钴酸锂。
50.集电极薄膜120的膜厚可以为50nm～500nm，例如100nm。集电极薄膜120可以为石墨烯薄膜。
51.通过对各层薄膜的膜厚进行特殊设计，可使单节高电压薄膜锂电池10的性能得到优化，提高电池的电压。
52.至于单节高电压薄膜锂电池10的制备方法，将根据以下实施例1-3进行进一步阐述。
53.实施例1：
54.沉积具有单固态电解质薄膜140的单节高电压薄膜锂电池10：在1平方米的铜箔表面涂覆厚度为6μm的石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上沉积负极薄膜130，其厚度为4.5μm，接着沉积固态电解质薄膜140，其厚度为1.2μm，再接着沉积该节电池的钴酸锂正极薄膜170，其
厚度为15μm，涂覆或生长石墨烯薄膜，其厚度为6μm。所得电池经化成后得到的容量为12240(ma
·
h)。相应储存的能量为48.96wh(电压4v)。
55.实施例2：
56.沉积具有双固态电解质薄膜140的单节高电压薄膜锂电池10：在1平方米的铜箔表面涂覆厚度为7μm的石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上沉积负极薄膜130，其厚度为4.5μm，接着沉积第一固态电解质薄膜140，其厚度为0.5μm，再接着沉积第一离子导通隔膜层150，其厚度为25nm，再继续沉积最外层固态电解质薄膜160，其厚度为0.6μm，再接着沉积该节电池的钴酸锂正极薄膜170，其厚度为15μm，涂覆或生长石墨烯薄膜，其厚度为7μm。所得电池经化成后得到的容量为12240(ma
·
h)。相应储存的能量为97.92wh(电压8v)。
57.实施例3：
58.沉积具有三固态电解质薄膜140的单节高电压薄膜锂电池10：在1平方米的铜箔表面涂覆厚度为7μm的石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上沉积负极薄膜130，其厚度为4.5μm，接着沉积第一固态电解质薄膜140，其厚度为0.4μm，再接着沉积第一离子导通隔膜层150，其厚度为20nm，再继续沉积第二层固态电解质薄膜140，其厚度为0.4μm，再接着沉积第二离子导通隔膜层150，其薄膜厚度为25nm，接着沉积最外层固态电解质薄膜160，其厚度在0.5μm，再接着沉积该节电池的钴酸锂正极薄膜170，其厚度为15μm，涂覆或生长石墨烯薄膜，其厚度为7μm。所得电池经化成后得到的容量为12240(ma
·
h)。相应储存的能量为146.88wh(电压12v)。
59.以上实施例1-3中，正极薄膜、固态电解质薄膜、负极薄膜均采用磁控溅射方法制备而成。例如，负极薄膜可以为锡合金薄膜，固态电解质薄膜可以为磷酸锂薄膜，
60.本发明的单节高电压薄膜锂电池10，提供了一种新的薄膜锂电池10的结构形式，通过在集电极基材110上沉积正极薄膜170或者负极薄膜130、固态电解质薄膜140、离子导通隔膜层150、最外层固态电解质薄膜160、负极薄膜130或者正极薄膜170以及集电极薄膜120，得到全固态薄膜锂电池10，能避免电池内界面接触的问题，有利于提高电池的能量密度、比能量、比功率、能量效率以及能量保持率。
61.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。