全固態(tài)金屬離子電池及其制備方法、電動(dòng)車的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，包括以下步驟：提供一基片；在基片上形成至少兩個(gè)疊層單元，所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及設(shè)置在正極薄膜與負(fù)極薄膜之間的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜；疊加所述疊層單元。本發(fā)明還涉及一種包括至少兩個(gè)在基片上疊加的疊層單元的全固態(tài)金屬離子電池，以及一種應(yīng)用上述全固態(tài)金屬離子電池的電動(dòng)車。采用所述全固態(tài)金屬離子電池的制備方法制備的電池具有無(wú)毒性、高安全性、高儲(chǔ)能密度、電池容量大、充放電容量保持率高等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
全固態(tài)金屬離子電池及其制備方法、電動(dòng)車
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全固態(tài)金屬離子電池及其制備方法、電動(dòng)車。
【【背景技術(shù)】】
[0002]電能源是清潔能源最普遍也最具推廣前景的應(yīng)用形式。儲(chǔ)能技術(shù)是能源結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的化石能源向風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源調(diào)整和轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在眾多電能源存儲(chǔ)技術(shù)中，以鋰離子電池為代表的金屬離子電池是目前兼具技術(shù)成熟度和先進(jìn)性的優(yōu)選蓄電技術(shù)。
[0003]金屬離子電池技術(shù)的發(fā)展需求為高安全、高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低成本。其中，提高安全性是目前電動(dòng)車動(dòng)力電池、家庭分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用形式的首要需求。電解質(zhì)固態(tài)化是目前最具潛力和價(jià)值的鋰離子電池安全性提高手段。
[0004]目前制備的聚合物固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)的全固態(tài)電池產(chǎn)品已小量投放市場(chǎng)，容量密度130_220Wh/kg。然而，有機(jī)類聚合物固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性往往無(wú)法滿足復(fù)雜工況的需求。
[0005]無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)受限于無(wú)機(jī)材料厚膜涂布關(guān)鍵工藝，難以支撐大容量全固態(tài)金屬離子電池的規(guī)?；瘧?yīng)用。目前基于全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)研究，實(shí)驗(yàn)室樣品能量密度為200Wh/kg，在60°C的溫度下，實(shí)施300次0.1(:的充電和0.5(:的放電循環(huán)后，電池放電容量保持率為80%。雖然類似的薄膜電池與微電子器件集成制備，可解決部分微電子器件的供能問(wèn)題，但其容量受限于電池器件的尺寸，因此難以滿足電動(dòng)車動(dòng)力電池、家庭分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用需求。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]為克服現(xiàn)有電池容量小技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種全固態(tài)金屬離子電池及其制備方法、電動(dòng)車。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是提供一種全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，包括步驟SI，提供一基片；步驟S2，在基片上形成至少兩個(gè)疊層單元，所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及設(shè)置在正極薄膜與負(fù)極薄膜之間的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜;及步驟S3，疊加所述疊層單元。
[0008]優(yōu)選地，所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元;所述第一疊層單元包括依次疊層的正極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-負(fù)極薄膜，所述第二疊層單元包括依次疊層的負(fù)極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-正極薄膜。
[0009]優(yōu)選地，在步驟S2中，進(jìn)一步在基片上形成正極集流體薄膜、負(fù)極集流體薄膜;所述正極集流體薄膜設(shè)置于正極薄膜遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜一側(cè)，負(fù)極集流體薄膜設(shè)置于負(fù)極薄膜遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜一側(cè)。
[0010]優(yōu)選地，在步驟S3中，第一疊層單元、第二疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，在第一疊層單元與第二疊層單元間設(shè)置負(fù)極集流體薄膜或正極集流體薄膜。
[0011 ]優(yōu)選地，在步驟S2中，調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓為0.2-3Pa，保持基片溫度為200-800°C，進(jìn)一步在基片上形成阻擋層薄膜；
[0012]在步驟S3中，當(dāng)相同的疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，所述第一疊層單元形成于第一疊層單元上，疊層單元之間設(shè)置負(fù)極集流體薄膜-阻擋層薄膜-正極集流體薄膜;或所述第二疊層單元形成于第二疊層單元上，疊層單元之間設(shè)置正極集流體薄膜-阻擋層薄膜-負(fù)極集流體薄膜。
[0013]優(yōu)選地，在步驟S2中，調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓為0.2_3Pa，保持基片溫度為10-300C，在基片上形成正極集流體薄膜;基片升溫至200-800 V，在正極集流體薄膜上依次形成正極薄膜、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜;基片降溫至10-30°C，在無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜上依次形成負(fù)極薄膜、負(fù)極集流體薄膜。
[0014]優(yōu)選地，所述正極集流體薄膜、正極薄膜、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜、負(fù)極薄膜、負(fù)極集流體薄膜和阻擋層薄膜的厚度為10納米至2微米;所述疊層單元數(shù)目大于等于2。
[0015]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是提供一種全固態(tài)金屬離子電池，包括至少兩個(gè)在基片上疊加的疊層單元;所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及設(shè)置在正極薄膜與負(fù)極薄膜之間的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜。
[0016]優(yōu)選地，所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元;所述第一疊層單元包括依次疊層的正極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-負(fù)極薄膜，所述第二疊層單元包括依次疊層的負(fù)極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-正極薄膜。
[0017]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是提供一種具全固態(tài)金屬離子電池電動(dòng)車，其包括如上所述的全固態(tài)金屬離子電池。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種全固態(tài)金屬離子電池及其制備方法、電動(dòng)車具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)本發(fā)明所提供的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，沉積至少兩個(gè)疊層單元，所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜，并重復(fù)沉積，形成多個(gè)疊層單元疊加，能在電池器件尺寸受限的情況下，設(shè)置多個(gè)疊層單元，提高單位體積的儲(chǔ)能密度，從而提高電池的容量，解決微電子器件供能問(wèn)題。
[0020](2)所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元，因而可以設(shè)置多種疊加方式，從而增加全固態(tài)金屬離子電池種類，使全固態(tài)金屬離子電池具有廣泛的適用性。
[0021](3)第一疊層單元、第二疊層單元相鄰設(shè)置情況下，第一疊層單元與第二疊層單元間設(shè)置一正極集流體薄膜或負(fù)極集流體薄膜，在電池器件尺寸受限的情況下，可減少一個(gè)疊層單元占用空間，同時(shí)在電池器件尺寸一定時(shí)可以設(shè)置更多的疊層單元，進(jìn)一步提高全固態(tài)金屬離子電池儲(chǔ)能密度，從而提高電池容量。
[0022](4)調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓及基片溫度，能保證真空氣相沉積成膜的均勻性。
[0023](5)正極集流體薄膜、正極薄膜、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜、負(fù)極薄膜、負(fù)極集流體薄膜和阻擋層薄膜的厚度以及疊層單元疊加的數(shù)目，可以根據(jù)全固態(tài)金屬離子電池的容量選用，因此可以制備疊層薄膜厚度不同及疊層單元數(shù)目不同的組合全固態(tài)金屬離子電池，因而極大地增加了全固態(tài)金屬離子電池的尺寸范圍和電池容量，具有廣泛的適用性。
[0024](6)制備具有所述疊層單元疊加的全固態(tài)金屬離子電池具有電池容量大、充放電電池容量保持率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0025](7)本發(fā)明所提供具有所述疊層單元疊加的全固態(tài)金屬離子電池的電動(dòng)車，具有使用壽命長(zhǎng)、安全性能高、充放電容量保持率高特點(diǎn)。
【【附圖說(shuō)明】】
[0026]圖1是本發(fā)明全固態(tài)金屬離子電池的制備方法采用磁控濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是圖1所示磁控濺射裝置中靶材位的細(xì)節(jié)示意圖。
[0028]圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的第一實(shí)施方式的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法制備電池器件疊層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例的第二實(shí)施方式的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法制備電池器件疊層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5是本發(fā)明全固態(tài)金屬離子電池的制備方法制備的全固態(tài)金屬離子電池結(jié)構(gòu)示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0031 ]為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032]本發(fā)明采用真空氣相沉積技術(shù)制備全固態(tài)金屬離子電池。真空氣相沉積技術(shù)包括濺射、蒸發(fā)、分子束外延、激光脈沖、化學(xué)真空氣相沉積等技術(shù)。在本發(fā)明更優(yōu)的實(shí)施例中具體可為:磁控濺射真空氣相沉積技術(shù)。
[0033]本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其包括如下的步驟:
[0034]步驟SI，材料準(zhǔn)備；
[0035]步驟S2，疊層單元的制備及疊加；
[0036]及步驟S3，電池封裝。
[0037]上述步驟SI的具體步驟如下提供制備全固態(tài)金屬離子電池所需靶材:正極集流體靶材、正極靶材、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材、負(fù)極靶材、負(fù)極集流體靶材、阻擋層靶材。
[0038]在本發(fā)明中，所述全固態(tài)金屬離子電池中，金屬離子的種類可以包括但不限于鋰離子、鈉離子、鉀離子、鎂離子或鋁離子等中一種或幾種金屬離子混合。具體的全固態(tài)金屬離子電池，可以包括但不限于鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池或鋁離子電池等中一種或幾種金屬離子混合的金屬離子電池。金屬離子種類具有多樣性，因此擴(kuò)大了全固態(tài)金屬離子電池的適用范圍。
[0039]所述正極靶材，根據(jù)所用金屬離子的種類，選用可通過(guò)金屬離子的嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)的凝聚態(tài)材料。可選用但不限于鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳、鎳鈷鋁等正極材料中的一種或幾種的混合物。
[0040]所述無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材，根據(jù)所用金屬離子的種類，選用能夠傳導(dǎo)上述金屬離子的無(wú)機(jī)固態(tài)離子導(dǎo)體?？蛇x用但不限于如下材料:過(guò)渡金屬氧化物、橄欖石結(jié)構(gòu)氧化物、聚陰離子結(jié)構(gòu)化合物、四元體系金屬鹽等中一種或幾種的混合物。
[0041]所述負(fù)極靶材，根據(jù)據(jù)所用金屬離子的種類，選用可通過(guò)金屬離子的嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)的凝聚態(tài)材料?？蛇x用但不限于如下材料:碳類負(fù)極材料、鈦酸鋰、合金類負(fù)極材料、過(guò)渡金屬氧化物負(fù)極材料等中的一種或幾種的混合物。
[0042]所述阻擋層靶材的材料選用絕緣性好、無(wú)電化學(xué)活性的固態(tài)材料。
[0043]在本發(fā)明一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所用全固態(tài)金屬離子電池為鋰離子電池時(shí)，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材可選用但不限于 Li7La3Ta2013、Li7La3Zr2013、Li7Y3Nb2013、LiGeP04、L1-Ge-P-
S、L1-La-T1-0四元體系固態(tài)電解質(zhì)或反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)。
[0044]在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中，所述阻擋層靶材具體可為:氮化鈦、氮化硅。
[0045]在本發(fā)明一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所用全固態(tài)金屬離子電池為鈉離子電池時(shí)，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)革G材可選用但不限于如下材料:Na-Mn-O固態(tài)電解質(zhì)、Na-Co-O固態(tài)電解質(zhì)、Na-Mn-Fe-P-O等橄欖石結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)、Na-P-O-F等氟磷酸鹽固態(tài)電解質(zhì)等一種或幾種的混合物。
[0046]在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中，所用全固態(tài)金屬離子電池為鋰離子電池時(shí)，所述正極集流體靶材、正極靶材、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材、負(fù)極靶材、負(fù)極集流體靶材具體可分別為:鋁單質(zhì)靶材、磷酸鐵鋰化合物靶材、Li7Y3Nb2O1^態(tài)電解質(zhì)化合物靶材、鋰單質(zhì)靶材、銅單質(zhì)靶材;或鉬單質(zhì)靶材、鎳鈷錳化合物靶材、L 1-La-T 1-O固態(tài)電解質(zhì)化合物靶材、鋰單質(zhì)靶材和銅單質(zhì)靶材。
[0047]所述正極集流體靶材、正極靶材、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材、負(fù)極靶材、負(fù)極集流體靶材、阻擋層靶材可以根據(jù)需要，配置成不同類型的全固態(tài)金屬離子電池。
[0048]本發(fā)明所提供的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法中具體可采用一磁控濺射裝置I進(jìn)行上述的全固態(tài)金屬離子電池的制備，其具體內(nèi)容如下所述。
[0049]請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明磁控濺射裝置I，包括支撐機(jī)構(gòu)11、載物機(jī)構(gòu)13、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15、晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(圖未示)及真空腔(圖未示)。真空腔收容支撐機(jī)構(gòu)11、載物機(jī)構(gòu)13、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15、晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。載物機(jī)構(gòu)13平行支撐機(jī)構(gòu)11設(shè)置。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15對(duì)應(yīng)支撐機(jī)構(gòu)11設(shè)置，并連接載物機(jī)構(gòu)13的一端。晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于監(jiān)測(cè)真空氣相沉積成膜厚度。
[0050]請(qǐng)一并參考圖2，支撐機(jī)構(gòu)11上設(shè)置至少一個(gè)靶材位111。靶材位111內(nèi)設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111、磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)1113、靶材1115。磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)1113對(duì)應(yīng)靶材1115設(shè)置，電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111連接靶材1115。
[0051 ]所述磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)1113包括多個(gè)永磁體1112。
[0052]所述載物機(jī)構(gòu)13固定至少一個(gè)基片131。晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)基片131上沉積薄膜厚度。
[0053]關(guān)閉真空腔，對(duì)真空腔抽真空至真空度高于10—4pa以上，通入氬氣作為保護(hù)氣體。將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開已完成濺射的靶材區(qū)域，移動(dòng)至基片131對(duì)應(yīng)于下一待濺射靶材1115位置處。調(diào)節(jié)待濺射靶材1115所在靶材區(qū)111的電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111功率，及調(diào)節(jié)永磁體1112分布和密度，繼續(xù)濺射成膜。如此重復(fù)操作，制備多種材料疊加薄膜。
[0054]在本發(fā)明第一實(shí)施例的第一【具體實(shí)施方式】的上述步驟S2中，提供一基片131，依次固定正極集流體靶材、正極靶材、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材、負(fù)極靶材、負(fù)極集流體靶材于五個(gè)靶材位111上。對(duì)應(yīng)于正極集流體靶材固定所述基片131于載物機(jī)構(gòu)13上?；?31形狀和大小與所制備器件大小相符。真空氣相沉積至少兩個(gè)第一疊層單元。所述第一疊層單元包括依次疊層的正極薄膜102-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103-負(fù)極薄膜104。具體獲得第一疊層單元的步驟如下:
[0055]步驟Tl，真空氣相沉積正極集流體薄膜101:設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111為直流電源，調(diào)節(jié)濺射電壓至正極集流體靶材的啟輝狀態(tài)。調(diào)節(jié)工作氣壓至0.2-3pa。此時(shí)基片131位于正極集流體靶材下方，保持基片131的溫度為10-30°C。開始在基片131上真空氣相沉積正極集流體薄膜101，晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得正極集流體薄膜101真空氣相沉積厚度為10-2000nm時(shí)，關(guān)閉直流電源。將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開正極集流體靶材區(qū)域。
[0056]步驟T2，真空氣相沉積正極薄膜102:設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111為射頻電源，調(diào)節(jié)濺射電壓至正極靶材的啟輝狀態(tài)。調(diào)節(jié)工作氣壓至0.2-3pa，將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)至正極靶材下方，此時(shí)基片131對(duì)應(yīng)位于正極靶材下方。基片升溫至200-800°C，開始真空氣相沉積正極薄膜102，晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得正極薄膜102真空氣相沉積厚度為10-2000nm時(shí)，關(guān)閉射頻電源。將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開正極靶材區(qū)域。
[0057]步驟T3，真空氣相沉積無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103:設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111為射頻電源，調(diào)節(jié)濺射電壓至無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材的啟輝狀態(tài)。調(diào)節(jié)工作氣壓至0.2-3pa，將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)至無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材下方。保持基片131溫度200-800°C，開始真空氣相沉積無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103，晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103真空氣相沉積厚度為10-2000nm時(shí)，關(guān)閉射頻電源。將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材區(qū)域。
[0058]步驟T4，真空氣相沉積負(fù)極薄膜104:設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111為直流電源，調(diào)節(jié)濺射電壓至負(fù)極靶材的啟輝狀態(tài)。調(diào)節(jié)工作氣壓至0.2-3pa，將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)至負(fù)極靶材下方，此時(shí)基片131對(duì)應(yīng)位于負(fù)極靶材下方。基片131降溫至10-30°C，開始真空氣相沉積負(fù)極薄膜104，晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得負(fù)極薄膜104真空氣相沉積厚度為10-2000nm時(shí)，關(guān)閉直流電源。將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開負(fù)極靶材區(qū)域。
[0059]步驟T5，真空氣相沉積負(fù)極集流體薄膜105:設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111為射頻電源，調(diào)節(jié)濺射電壓至負(fù)極集流體靶材的啟輝狀態(tài)。調(diào)節(jié)工作氣壓至0.2-3pa，將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)至負(fù)極集流體靶材下方，此時(shí)基片131對(duì)應(yīng)位于負(fù)極集流體靶材下方。保持基片131溫度10-30°C。開始真空氣相沉積負(fù)極集流體薄膜105，晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得負(fù)極集流體薄膜105真空氣相沉積厚度為10-2000nm時(shí)，關(guān)閉射頻電源。將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開負(fù)極集流體靶材區(qū)域。
[0060]本發(fā)明第一實(shí)施例中的第二【具體實(shí)施方式】與第一【具體實(shí)施方式】的不同之處在于:[0061 ]在五個(gè)靶材位111上依次固定負(fù)極集流體靶材、負(fù)極靶材、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)靶材、正極革E材及正極集流體革E材。依次真空氣相沉積至少一第二疊層單元。所述第二疊層單元包括依次疊層的負(fù)極薄膜104-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103-正極薄膜102。
[0062]在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】中，所述正極集流體薄膜101設(shè)置于正極薄膜102遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103—側(cè)，負(fù)極集流體薄膜105設(shè)置于負(fù)極薄膜104遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103—側(cè)。
[0063]重復(fù)本發(fā)明第一【具體實(shí)施方式】的上述實(shí)驗(yàn)步驟Tl-步驟T5，真空氣相沉積至少兩個(gè)疊層單元，疊加所述疊層單元。所述疊層單元包括第一疊層單元及第二疊層單元。
[0064]步驟T6，真空氣相沉積阻擋層薄膜106:固定阻擋層靶材于磁控濺射裝置I靶材位111上。設(shè)置電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)1111為射頻電源，調(diào)節(jié)濺射電壓至阻擋層靶材的啟輝狀態(tài)。改變氣體成分為含有20 %氮?dú)猓?0 %氮?dú)獾幕旌蠚怏w，調(diào)節(jié)工作氣壓為0.2-3pa，將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)至阻擋層靶材下方，此時(shí)基片131對(duì)應(yīng)位于阻擋層靶材下方?；?31升溫至200-800°C。開始真空氣相沉積，晶振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得阻擋層薄膜106真空氣相沉積厚度為10-2000nm時(shí)，關(guān)閉射頻電源。恢復(fù)只有單一氬氣保護(hù)氣體，將載物機(jī)構(gòu)13移動(dòng)離開阻擋層靶材區(qū)域。
[0065]本發(fā)明全固態(tài)金屬離子電池的制備方法一些較優(yōu)的實(shí)施例中，可以組合疊加第一疊層單元、第二疊層單元。所述第一疊層單元、第二疊層單元的設(shè)置方式包括相同的疊層單元相鄰設(shè)置和不同疊層單元相鄰設(shè)置。所述第一疊層單元、第二疊層單元可以組合疊加，因而可以設(shè)置多種疊加方式，從而增加全固態(tài)金屬離子電池種類，使全固態(tài)金屬離子電池具有廣泛的適用性。
[0066]本發(fā)明全固態(tài)金屬離子電池的制備方法一些較優(yōu)的實(shí)施例中，可以單獨(dú)疊加相同的疊層單元，所述相同的疊層單元相鄰設(shè)置。
[0067]本發(fā)明全固態(tài)金屬離子電池的制備方法一些較優(yōu)的實(shí)施例中，可以交替疊加第一疊層單元、第二疊層單元，所述不同疊層單元相鄰設(shè)置。所述多個(gè)第一疊層單元與多個(gè)第二疊層單元交替疊加時(shí)，則相鄰疊加的第一疊層單元與第二疊層單元，滿足在負(fù)極集流體薄膜105兩側(cè)均布置負(fù)極薄膜104或在正極集流體薄膜101兩側(cè)均布置正極薄膜102。因此在電池尺寸受限的情況下，可以節(jié)省一疊層單元所占用空間，同時(shí)在電池尺寸一定時(shí)可設(shè)置更多的疊層單元，因而進(jìn)一步提高了所述全固態(tài)金屬離子電池的單位體積的儲(chǔ)能密度。因此在電池器件尺寸受限的情況下，能夠增加電池容量，解決微電子器件供能問(wèn)題。
[0068]請(qǐng)參考圖3，當(dāng)相同的疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，所述第一疊層單元真空氣相沉積于第一疊層單元上，疊層單元之間設(shè)置負(fù)極集流體薄膜105-阻擋層薄膜106-正極集流體薄膜101。
[0069]當(dāng)相同的疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，所述第二疊層單元真空氣相沉積于第二疊層單元上，疊層單元之間設(shè)置正極集流體薄膜101-阻擋層薄膜106-負(fù)極集流體薄膜105。
[0070]請(qǐng)參考圖4，當(dāng)不同的疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，所述第二疊層單元真空氣相沉積于第一疊層單元上，在第一疊層單元與第二疊層單元間設(shè)置一負(fù)極集流體薄膜105。
[0071]當(dāng)不同的疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，所述第一疊層單元真空氣相沉積于第二疊層單元上，在第一疊層單元與第二疊層單元間設(shè)置一正極集流體薄膜101。
[0072]當(dāng)?shù)谝化B層單元與基片131相鄰設(shè)置時(shí)，在所述第一疊層單元的正極薄膜102與基片131之間設(shè)置正極集流體薄膜101。
[0073]當(dāng)?shù)诙B層單元與基片131相鄰設(shè)置時(shí)，在所述第二疊層單元的負(fù)極薄膜104與基片131之間設(shè)置負(fù)極集流體薄膜105。
[0074]當(dāng)完成全部疊層單元疊加制備，最后真空氣相沉積的疊層單元為第一疊層單元時(shí)，在所述第一疊層單元的負(fù)極薄膜104遠(yuǎn)離基片131—側(cè)真空氣相沉積負(fù)極集流體薄膜105。
[0075]當(dāng)完成全部疊層單元疊加制備，最后真空氣相沉積的疊層單元為第二疊層單元時(shí)，在所述第二疊層單元的正極薄膜102遠(yuǎn)離基片131—側(cè)真空氣相沉積正極集流體薄膜101。
[0076]在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】的一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述步驟Tl、所述步驟T4、所述步驟T5中，可以在如下工作氣壓真空氣相沉積成膜:0.2-0.3pa、0.3-0.5pa、0.35-0.6pa、0.5-0.6pa、0.6-1.6pa、1.6-1.8pa、1.8_2pa、2_3pa或2.5_3pa。在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中所述工作氣壓具體可為:0.2pa、0.25pa、0.3pa、0.35pa、0.4pa、0.45pa、0.5pa、
0.55pa或0.6pa。
[0077]在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】的一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述步驟Tl、所述步驟丁4、所述步驟了5中，基片131可以在如下溫度真空氣相沉積成膜:10-15°(:、15-20°(:、20-251€或25-300C ο在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中所述溫度具體可為:10°C、15°C、20°C或25°C。
[0078]在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】的一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述步驟T2、所述步驟Τ3、所述步驟Τ6中，可以在如下工作氣壓真空氣相沉積成膜:0.2-0.6pa、0.5-0.6pa、0.6-1.6pa、I.6-1.8pa、I.8_2pa、2_3pa或2.5_3pa。在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中所述工作氣壓具體可為:Ipa、1.2pa、1.4pa、1.5pa、1.6pa、1.7pa、1.8pa、1.9pa或2pa。
[0079]在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】的一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述步驟T2、所述步驟T3、所述步驟T6中，基片131可以在如下溫度真空氣相沉積成膜:200-300°C、300-500°C、500-600 °C或600-800 °C。在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中所述溫度具體可為:300 °C、400 °C、500 °C、600 °C、700 °C 或800 °C。
[0080]在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】的一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述步驟T1-T6中，所述真空氣相沉積的正極集流體薄膜101、正極薄膜102、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103、負(fù)極薄膜104、負(fù)極集流體薄膜105及阻擋層薄膜106厚度可為:10-5011111、10-100醒、50-10011111、80-200nm、100-300nm、200-400nm、300-500nm、500-800nm、800-1000n m、1000-2000nm。在本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中所述厚度具體可為:10nm、50nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、lOOOnm、1200nm、1500nm或2000nmo
[0081]本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】所述疊層單元數(shù)目大于等于2。在本發(fā)明第一、第二【具體實(shí)施方式】的一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述疊層單元數(shù)目為2-10、5-50、20-100、50-100、80-150、100-200、200-400、300-500、200-500 或 500-2000。本發(fā)明一些更優(yōu)的實(shí)施例中所述疊層單元數(shù)目 1、20、50、100、150、200、300、500或 1000。
[0082]所述調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓及基片131溫度至適宜的范圍，能保證真空氣相沉積成膜均勻性。
[0083]所述疊層單元的數(shù)目，以及所述正極集流體薄膜101、正極薄膜102、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103、負(fù)極薄膜104、負(fù)極集流體薄膜105及阻擋層薄膜106厚度可以根據(jù)全固態(tài)金屬離子電池的容量設(shè)置。因此可以制備疊層薄膜厚度不同及疊層單元數(shù)目不同的組合全固態(tài)金屬離子電池，因而極大地增加了全固態(tài)金屬離子電池的尺寸范圍和電池容量，具有廣泛的適用性。
[0084]請(qǐng)參考圖5，在本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的全固態(tài)金屬離子電池制備方法，在上述步驟S3中具體電池封裝的優(yōu)選步驟如下:
[0085]將上述各個(gè)正極集流體薄膜101電性連接在第一極耳301上，所述各個(gè)正極集流體薄膜101相互并聯(lián)。所述各個(gè)正極集流體薄膜101通過(guò)第一極耳301與外電路相連通，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)疊層單元與外電路良好導(dǎo)通。
[0086]將上述各個(gè)負(fù)極集流體薄膜105電性連接在第二極耳302上，所述各個(gè)負(fù)極集流體薄膜105相互并聯(lián)。所述各個(gè)負(fù)極集流體薄膜105通過(guò)第二極耳302與外電路相連通，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)疊層單元與外電路良好導(dǎo)通。
[0087]再經(jīng)密封、整形等操作獲得全固態(tài)金屬離子電池。
[0088]本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種全固態(tài)金屬離子電池，所述電池包括至少兩個(gè)本發(fā)明第一實(shí)施例中的第一【具體實(shí)施方式】和第二【具體實(shí)施方式】所述在基片131上真空氣相沉積的疊層單元疊加制備的電池器件。所述疊層單元各薄膜采用上述全固態(tài)金屬離子電池制備方法制備獲得。所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元;所述第一疊層單元包括依次疊層的正極薄膜102-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103-負(fù)極薄膜104，所述第二疊層單元包括依次疊層的負(fù)極薄膜104-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜103-正極薄膜102。所述全固態(tài)金屬離子電池具有無(wú)毒性、高安全性、高儲(chǔ)能密度、電池容量大、充放電容量保持率高等特點(diǎn)。
[0089]在本發(fā)明一些優(yōu)選的實(shí)施例中，與現(xiàn)有制備的全固態(tài)電池產(chǎn)品相比，所述采用真空氣相沉積制備全固態(tài)金屬離子電池能提高儲(chǔ)能密度、充放電容量保持率、增加電池容量等。全固態(tài)金屬離子電池疊層單元為50-100個(gè)時(shí)，全固態(tài)金屬離子電池儲(chǔ)能密度可達(dá)350Wh/Kg以上；5C充放電1000-1500次循環(huán)后，電容量保持率大于90% ;電池容量可達(dá)1Ah以上。
[0090]本發(fā)明第三實(shí)施例提供具有所述疊層單元疊加的全固態(tài)金屬離子電池的電動(dòng)車，所述電動(dòng)車采用如本發(fā)明第二實(shí)施例中所述的全固態(tài)金屬離子電池。所述的電動(dòng)車具有使用壽命長(zhǎng)、安全性能高、充放電容量保持能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0091]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種全固態(tài)金屬離子電池及其制備方法、電動(dòng)車具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0092](I)本發(fā)明所提供的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，沉積至少兩個(gè)疊層單元，所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜，并重復(fù)沉積，形成多個(gè)疊層單元疊加，能在電池器件尺寸受限的情況下，設(shè)置多個(gè)疊層單元，提高單位體積的儲(chǔ)能密度，從而提高電池的容量，解決微電子器件供能問(wèn)題。
[0093](2)所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元，因而可以設(shè)置多種疊加方式，從而增加全固態(tài)金屬離子電池種類，使全固態(tài)金屬離子電池具有廣泛的適用性。
[0094](3)第一疊層單元、第二疊層單元相鄰設(shè)置情況下，第一疊層單元與第二疊層單元間設(shè)置一正極集流體薄膜或負(fù)極集流體薄膜，在電池器件尺寸受限的情況下，可減少一個(gè)疊層單元占用空間，同時(shí)在電池器件尺寸一定時(shí)可以設(shè)置更多的疊層單元，進(jìn)一步提高全固態(tài)金屬離子電池儲(chǔ)能密度，從而提高電池容量。
[0095](4)調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓及基片溫度，能保證真空氣相沉積成膜的均勻性。
[0096](5)正極集流體薄膜、正極薄膜、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜、負(fù)極薄膜、負(fù)極集流體薄膜和阻擋層薄膜的厚度以及疊層單元疊加的數(shù)目，可以根據(jù)全固態(tài)金屬離子電池的容量選用，因此可以制備疊層薄膜厚度不同及疊層單元數(shù)目不同的組合全固態(tài)金屬離子電池，因而極大地增加了全固態(tài)金屬離子電池的尺寸范圍和電池容量，具有廣泛的適用性。
[0097](6)制備具有所述疊層單元疊加的全固態(tài)金屬離子電池具有電池容量大、充放電電池容量保持率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0098](7)本發(fā)明所提供具有所述疊層單元疊加的全固態(tài)金屬離子電池的電動(dòng)車，具有使用壽命長(zhǎng)、安全性能高、充放電容量保持率高特點(diǎn)。
[0099]以上所述僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明原則之內(nèi)所作的任何修改，等同替換和改進(jìn)等均應(yīng)包含本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:包括 步驟SI，提供一基片； 步驟S2，在基片上形成至少兩個(gè)疊層單元，所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及設(shè)置在正極薄膜與負(fù)極薄膜之間的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜； 及步驟S3，疊加所述疊層單元。2.如權(quán)利要求1所述的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元;所述第一疊層單元包括依次疊層的正極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-負(fù)極薄膜，所述第二疊層單元包括依次疊層的負(fù)極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-正極薄膜。3.如權(quán)利要求2所述的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:在步驟S2中，進(jìn)一步在基片上形成正極集流體薄膜、負(fù)極集流體薄膜;所述正極集流體薄膜設(shè)置于正極薄膜遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜一側(cè)，負(fù)極集流體薄膜設(shè)置于負(fù)極薄膜遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜一側(cè)。4.如權(quán)利要求3所述的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:在步驟S3中，第一疊層單元、第二疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，在第一疊層單元與第二疊層單元間設(shè)置負(fù)極集流體薄膜或正極集流體薄膜。5.如權(quán)利要求3所述的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:在步驟S2中，調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓為0.2-3Pa，保持基片溫度為200-800°C，進(jìn)一步在基片上形成阻擋層薄膜； 在步驟S3中，當(dāng)相同的疊層單元相鄰設(shè)置時(shí)，所述第一疊層單元形成于第一疊層單元上，疊層單元之間設(shè)置負(fù)極集流體薄膜-阻擋層薄膜-正極集流體薄膜;或所述第二疊層單元形成于第二疊層單元上，疊層單元之間設(shè)置正極集流體薄膜-阻擋層薄膜-負(fù)極集流體薄膜。6.如權(quán)利要求5所述的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:在步驟S2中，調(diào)節(jié)真空氣相沉積的氣壓為0.2-3Pa，保持基片溫度為10-30°C，在基片上形成正極集流體薄膜;基片升溫至200-800°C，在正極集流體薄膜上依次形成正極薄膜、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜；基片降溫至10-30°C，在無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜上依次形成負(fù)極薄膜、負(fù)極集流體薄膜。7.如權(quán)利要求5所述的全固態(tài)金屬離子電池的制備方法，其特征在于:所述正極集流體薄膜、正極薄膜、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜、負(fù)極薄膜、負(fù)極集流體薄膜和阻擋層薄膜的厚度為10納米至2微米;所述疊層單元數(shù)目大于等于2。8.—種全固態(tài)金屬離子電池，其特征在于:包括至少兩個(gè)在基片上疊加的疊層單元;所述疊層單元包括正極薄膜、負(fù)極薄膜以及設(shè)置在正極薄膜與負(fù)極薄膜之間的無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜。9.如權(quán)利要求8所述的全固態(tài)金屬離子電池，其特征在于:所述疊層單元包括第一疊層單元、第二疊層單元;所述第一疊層單元包括依次疊層的正極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-負(fù)極薄膜，所述第二疊層單元包括依次疊層的負(fù)極薄膜-無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)薄膜-正極薄膜。10.具全固態(tài)金屬離子電池電動(dòng)車，其特征在于:包括如權(quán)利要求8或9所述的全固態(tài)金屬離子電池。
【文檔編號(hào)】H01M10/058GK106099197SQ201610542873
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】蔣琰
【申請(qǐng)人】成都英諾科技咨詢有限公司