[发明专利]一种微型全固态锂离子电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种微型全固态锂离子电池及制备方法，结构包括依次层叠设置的负极集流体、负极层、固态电解质层、正极层、正极集流体层；还包括包裹整体层叠结构的钝化层，在钝化层外侧还包裹柔性防水保护层；还包括从外侧连通到正极集流体层表面中央的正极引出孔，以及从外侧连通到负极集流体表面中央的负极引出孔。本发明通过去除电池基底并制作柔性防水保护层，在有效释放电池充放电过程中由于体积膨胀产生的应力的同时还提升电池的能量密度，并且对电池进行良好的密封以改善其可靠性和使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种微型全固态锂离子电池及其制备方法。

背景技术

随着化石能源日渐枯竭以及使用化石能源所带来的环境污染问题日益严重，开发并使用新型绿色能源成为能源领域的研究方向，而寻求与其相匹配的储能技术也成为了研究工作重点。在现有储能技术中，锂离子电池由于其具有高能量密度、高工作电压、长使用寿命以及无记忆效应等优势，已经被广泛应用于手机、数码相机及笔记本电脑等各类消费类电子产品，并在植入性医疗、物联网节点、微型机器人等领域具有广阔的应用前景。而传统锂离子电池所使用的电解质为液态有机电解液，由于其易燃特性，在过充、短路等情况下可能会发生燃烧、爆炸等危险，存在明显的安全隐患。同时液态电解液的限制也使得锂离子电池无法实现微型化与集成化，在一定程度上阻碍了其发展。随着研究的深入，现在已经开发出了相应的固态电解质用于锂离子电池形成全固态锂离子电池。使用固态电解质，可以很好的避免液态电解液存在的安全性问题，同时又可以实现锂离子电池的微型化，使其易于与其他系统集成，具有更广阔的发展应用前景。

微系统正朝着微型化，高集成和智能化方向发展。全固态锂离子电池作为微系统能量供给的一个重要选择，也相应地面临着提升性能(小体积、高能量密度、高可靠性等)的迫切需求。电池负极是决定电池性能的关键部分，目前的具有高比容量的负极材料在充放电过程易发生较大的体积变化，由此产生的应力极易引起电极的破损与机械可靠性问题，例如，硅(Si)的理论容量可达4200mAh/g，但是硅负极在电池充放电过程中，会产生较大的体积变化(高达400％)。因此，若将整个电池固定在基底上，由于体积剧烈变化引起的应力会使负极薄膜破裂以及恶化电池的机械可靠性能。同时基底的存在还增加了电池的体积和质量，使得电池的体积能量密度和质量能量密度降低。此外，电池中的活性物质(如电解质薄膜、正极薄膜)通常对空气或湿气等敏感，这也是制约电池可靠性和使用寿命的主要因素之一。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种微型全固态锂离子电池及其制备方法，在有效释放电池充放电过程中由于体积膨胀产生的应力的同时提升电池的能量密度。

技术方案：一种微型全固态锂离子电池，包括依次层叠设置的负极集流体层、负极层、固态电解质层、正极层、正极集流体层；还包括包裹整体层叠结构的钝化层，在所述钝化层外侧还包裹柔性防水保护层；还包括从外侧连通到所述正极集流体层表面中央的正极引出孔，以及从外侧连通到所述负极集流体层表面中央的负极引出孔。

进一步的，所述正极集流体层的材料为Al、TiN、Pt或Au，厚度在50nm-500nm。

进一步的，所述正极层的材料为LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、MnO₂或LiFePO₄，厚度根据电池的正极与负极容量匹配的原则确定。

进一步的，所述固态电解质层的材料为Li₃PO₄、LiPON、La_2/3-xLi_xTiO₃或LiSiPON，厚度在200nm-4000nm。

进一步的，所述负极层的材料为Si、SiO、SnO₂或TiO₂，厚度在300nm-3000nm。

进一步的，所述负极集流体层的材料为Cu、TiN、Pt或Au，厚度在50nm-500nm。