一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層；所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長，其中負(fù)極活性物質(zhì)是采用鈦酸鋰、鐵酸鋰的混合，所述正極活性物質(zhì)是鈷酸鋰與錳酸鋰的混合。本發(fā)明還公開了該全固態(tài)薄膜電池的制備方法，本發(fā)明制得的全固態(tài)薄膜電池能量密度高，穩(wěn)定性好，使用壽命久。
【專利說明】
一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
:
[0001]本發(fā)明涉及薄膜電池領(lǐng)域，具體的涉及一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池。
【背景技術(shù)】
:
[0002]隨著電子信息工業(yè)和微型加工技術(shù)快速發(fā)展，對其所需的微型能源則提出了特殊微型化的要求。其中全固態(tài)薄膜鋰離子二次電池因其高的能量密度、強(qiáng)的安全性、長的循環(huán)壽命、寬的工作電壓和重量輕等優(yōu)點，成為微電池系統(tǒng)需求的最佳選擇。此外，其固態(tài)薄膜鋰離子電池還有以下優(yōu)點:(I)可根據(jù)產(chǎn)品的要求設(shè)計任何形狀；(2)可組裝在不同材料的基底上；(3)可用標(biāo)準(zhǔn)的沉積條件實現(xiàn)薄膜電池的制備;工作溫度窗口寬(-15—150°C); (4)沒有固液接觸界面，減小了固液界面電阻；(5)安全系數(shù)高，電池工作時沒有氣體產(chǎn)物。上述優(yōu)點使它成為微電子器件的理想電源。
[0003]但是盡管具有以上優(yōu)點，全固態(tài)鋰離子電池在應(yīng)用過程中還是具有很多問題，如何進(jìn)一步提高其能量密度以及使用壽命成為關(guān)鍵問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該電池具有較高的能量密度，穩(wěn)定性好，使用壽命久。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。
[0007]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述基底材料采用碳、硅、銅、鋁、不銹鋼片中的一種，其表面粗糙度小于I OOnm。
[0008]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述金屬集流層的厚度為100-300nm。
[0009]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述交替生長的薄膜單層厚度為0.5-5nm，薄膜總厚度為 2-5μηι0
[0010]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述負(fù)極活性物質(zhì)是采用鈦酸鋰、鐵酸鋰的混合，所述正極活性物質(zhì)是鈷酸鋰與錳酸鋰的混合。
[0011]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述電解質(zhì)膜是在氮氣氣氛下采用磁控濺射法濺射磷酸鋰靶材制得。
[0012]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)選取基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射；
[0014](2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層；
[0015](3)采用負(fù)極活性物質(zhì)材料作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為10-15轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射2-4h以上，采用對耙交替沉積的方法，每一塊靶材轟擊10-15下，總沉積時間為10-20min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照5-10°C/min的升溫速率將溫度升溫至550-5800C，保溫30-50min，自然冷卻至室溫；
[0016](4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為8-10轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射l-3h以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積30-60min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照3-6°C/min的升溫速率將溫度升溫至500-530°C，保溫30-50min，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜；
[0017](5)采用步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]本發(fā)明制得的全固態(tài)薄膜電池的正極和負(fù)極采用多層復(fù)合薄膜組成，且各層厚度可以能夠調(diào)控，且可以實現(xiàn)極小尺寸范圍內(nèi)控制薄膜的生長，層與層之間結(jié)合的比較緊密，制得的電池電化學(xué)性能好，能量密度高，穩(wěn)定性好，使用壽命久。
【具體實施方式】
:
[0020]為了更好的理解本發(fā)明，下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，實施例只用于解釋本發(fā)明，不會對本發(fā)明構(gòu)成任何的限定。
[0021]實施例1
[0022]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。
[0023]其制備方法包括以下步驟:
[0024](I)選取碳作為基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射；
[0025](2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層；
[0026](3)采用鈦酸鋰、鐵酸鋰作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為1轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射4h以上，采用對耙交替沉積的方法，每一塊靶材轟擊1下，總沉積時間為20min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照5°C/min的升溫速率將溫度升溫至550°C，保溫50min，自然冷卻至室溫；
[0027](4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為8轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射3h以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積30min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照3°C/min的升溫速率將溫度升溫至500°C，保溫50min，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜；
[0028](5)采用鈷酸鋰與錳酸鋰作為正極活性物質(zhì)材料，根據(jù)步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
[0029]實施例2
[0030]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。
[0031]其制備方法包括以下步驟:
[0032](I)選取硅作為基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射；
[0033](2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層；
[0034](3)采用鈦酸鋰、鐵酸鋰作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為15轉(zhuǎn)/min，預(yù)派射2h以上，采用對把交替沉積的方法，每一塊革E材轟擊15下，總沉積時間為lOmin，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照10°C/min的升溫速率將溫度升溫至580°C，保溫30min，自然冷卻至室溫；
[0035](4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為10轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射Ih以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積60min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照6°C/min的升溫速率將溫度升溫至530°C，保溫30min，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜；
[0036](5)采用鈷酸鋰與錳酸鋰作為正極活性物質(zhì)材料，根據(jù)步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
[0037]實施例3
[0038]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。
[0039]其制備方法包括以下步驟:
[0040](I)選取銅作為基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射；
[0041](2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層；
[0042](3)采用鈦酸鋰、鐵酸鋰作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為11轉(zhuǎn)/min，預(yù)派射3.5h以上，采用對把交替沉積的方法，每一塊革E材轟擊14下，總沉積時間為15min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照6°C/min的升溫速率將溫度升溫至570°C，保溫35min，自然冷卻至室溫；
[0043](4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為8轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射2.5h以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積40min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照4°(:/1^11的升溫速率將溫度升溫至510°(:，保溫451^11，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜；
[0044](5)采用鈷酸鋰與錳酸鋰作為正極活性物質(zhì)材料，根據(jù)步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
[0045]實施例4
[0046]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。
[0047]其制備方法包括以下步驟:
[0048](I)選取鋁作為基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射；
[0049](2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層；
[0050](3)采用鈦酸鋰、鐵酸鋰作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為12轉(zhuǎn)/min，預(yù)派射3h以上，采用對把交替沉積的方法，每一塊革E材轟擊13下，總沉積時間為lOmin，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照7°C/min的升溫速率將溫度升溫至565°C，保溫40min，自然冷卻至室溫；
[0051](4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為9轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射2h以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積45min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照5°(:/1^11的升溫速率將溫度升溫至520°(:，保溫401^11，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜；
[0052](5)采用鈷酸鋰與錳酸鋰作為正極活性物質(zhì)材料，根據(jù)步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
[0053]實施例5
[0054]—種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。
[0055]其制備方法包括以下步驟:
[0056](I)選取不銹鋼片作為基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射；
[0057](2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層；
[0058](3)采用鈦酸鋰、鐵酸鋰作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為12轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射2h以上，采用對耙交替沉積的方法，每一塊靶材轟擊14下，總沉積時間為20min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照8°C/min的升溫速率將溫度升溫至570°C，保溫35min，自然冷卻至室溫；
[0059](4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為9轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射1.5h以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積50min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照5.5°C/min的升溫速率將溫度升溫至520°C，保溫35min，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜；
[0060](5)采用鈷酸鋰與錳酸鋰作為正極活性物質(zhì)材料，根據(jù)步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
【主權(quán)項】
1.一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，其特征在于:該全固態(tài)薄膜電池包括基底材料層、金屬集流層、負(fù)極活性物質(zhì)層、電解質(zhì)薄膜層、正極活性物質(zhì)層、金屬集流層;所述負(fù)極活性物質(zhì)層和正極活性物質(zhì)層均由多層復(fù)合薄膜組成，其通過真空沉積技術(shù)交替生長。2.如權(quán)利要求1所述的一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，其特征在于:所述基底材料采用碳、硅、銅、鋁、不銹鋼片中的一種，其表面粗糙度小于lOOnm。3.如權(quán)利要求1所述的一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，其特征在于:所述金屬集流層的厚度為100-300nmo4.如權(quán)利要求1所述的一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，其特征在于:所述交替生長的薄膜單層厚度為0.5-5nm，薄膜總厚度為2-5μπι。5.如權(quán)利要求1所述的一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，其特征在于:所述負(fù)極活性物質(zhì)是采用鈦酸鋰、鐵酸鋰的混合，所述正極活性物質(zhì)是鈷酸鋰與錳酸鋰的混合。6.如權(quán)利要求1所述的一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池，其特征在于:所述電解質(zhì)膜是在氮氣氣氛下采用磁控濺射法濺射磷酸鋰靶材制得。7.如權(quán)利要求1至6任一所述的一種高能量密度的全固態(tài)薄膜電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)選取基底材料層，用500目-3000目的砂紙對基片表面進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面能發(fā)生鏡面反射； (2)采用磁控濺射技術(shù)在基底表面沉積一層金屬流體層； (3)采用負(fù)極活性物質(zhì)材料作為靶材，安裝好靶材和基片以后關(guān)閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，調(diào)整靶材與基片間的距離為60mm，自轉(zhuǎn)速率為10-15轉(zhuǎn)/min，預(yù)派射2-4h以上，采用對把交替沉積的方法，每一塊革E材轟擊10-15下，總沉積時間為10-20min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照5-10°C/min的升溫速率將溫度升溫至550-5800C，保溫30-50min，自然冷卻至室溫； (4)采用磷酸鋰作為靶材，安裝好靶材和沉積有負(fù)極活性物質(zhì)層的基片閉送樣室和外延室，利用機(jī)械栗，分子栗，離子栗將外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮氣，調(diào)整靶材與基片間的距離為50mm，自轉(zhuǎn)速率為8-10轉(zhuǎn)/min，預(yù)濺射l-3h以上，然后濺射磷酸鋰靶材，沉積30-60min，然后關(guān)閉沉積裝置，待冷卻后將基片取出，放入真空熱處理爐中，在大氣的氣氛下進(jìn)行退火處理，按照3-6°C/min的升溫速率將溫度升溫至500-530°C，保溫30_50min，自然冷卻至室溫，制得電解質(zhì)膜； (5)采用步驟(3)所述的方法在電解質(zhì)膜層表面制備正極活性物質(zhì)層，然后采用磁控濺射技術(shù)在其表面沉積一層金屬集流層。
【文檔編號】H01M4/131GK106099201SQ201610688363
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月18日 公開號201610688363.8, CN 106099201 A, CN 106099201A, CN 201610688363, CN-A-106099201, CN106099201 A, CN106099201A, CN201610688363, CN201610688363.8
【發(fā)明人】付竹蘭
【申請人】付竹蘭