一种内部串联型固态电池及固态电池组的制作方法

1.本实用新型涉及固态电池技术领域，尤其涉及一种内部串联型固态电池及固态电池组。


背景技术：

2.现有的储能技术中，锂离子电池凭借能量密度高、工作电压高、使用寿命长以及无记忆效应等优势，已经广泛应用于新能源汽车等领域。但传统的锂离子电池采用易燃的液态有机电解液，存在安全隐患，发展遇到了瓶颈。采用固态电解质替代有机液态电解液得到的全固态锂电池不仅安全性好，而且在提高比能量、比功率密度以及循环性能方面也有更大的空间，有望成为下一代锂离子电池。
3.在固态电池中，内部串联是固态电池独有的优势，其是指在集流体的两侧涂覆有不同极性的锂离子电池活性物质组成双极性电极，通过叠加实现内部结构串联，从而得到高电压的电池。这种电池具有能量密度高、过流能力强的特点。但是制作这种内部串联型固态电池，必须要有双极性的集流体，该集流体必须满足一面耐氧化，一面耐还原。并且还必须保证电池单元在电子导电的同时，集流体内部绝缘，电解液不会在中间渗透，否则将从内短路。
4.目前，集流体中常用的铝箔、铜箔均不能满足双极性集流体的需要，企业一般都是将金属箔直接复合到一起形成复合型箔材或者将金属箔粘接到具有粘性聚合物层的两侧(例如公开专利cn108390068a、cn103219521a、cn102668225a)。但是金属箔一般都是通过压延成型的，无法将厚度做到超薄，即使做到超薄，其表面的将增多，产生微孔，导致电解液泄露。故无法实现轻量化和柔性。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种内部串联型固态电池，该内部串联型固态电池能够以铝箔作为双极性集流体，避免了现有技术中以复合型箔材作为双极性集流体时加工困难的缺陷。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种内部串联型固态电池，包括两个或多个电池单元，每一电池单元均包括集流体、固态电解质层和由正极层和负极层形成的电极层；所述两个或多个电池单元通过叠加的方式形成串联型固态电池，且相邻两电池单元被叠加为使其中一电池单元的集流体接触另一电池单元的电极层；
7.其中，所述集流体为铝集流体，所述负极层为氧化铌层。
8.进一步地，所述电池单元包括按顺序依次层叠的集流体、正极层、固态电解质层和负极层，且相邻两电池单元被叠加为使得一个电池单元的集流体接触下一电池单元的负极层，以得到内部串联型固态电池。
9.进一步地，所述内部串联型固态电池包括第一电池单元和第二电池单元，所述第一电池单元包括按顺序依次叠层的第一集流体、第一正极层、第一固体电解质层、第一负极
层，所述第二电池单元包括按顺序依次叠层的第二集流体、第二正极层、第二固体电解质层、第二负极层和第三集流体；所述第一电池单元和第二电池单元被叠加为使所述第二集流体与第一负极层接触，以得到内部串联型固态电池。
10.进一步地，所述正极层的材料为三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂或镍钴锰酸锂。
11.进一步地，所述固态电解质层的材料为磷酸钛铝锂、钛酸镧锂或锂镧锆氧。
12.进一步地，所述固态电解质层的厚度为50～70μm。
13.本实用新型还提供了一种固态电池组，包括电池组壳体以及一个或多个所述的内部串联型固态电池，所述一个或多个内部串联型固态电池置入所述电池组壳体内且配置为以串联或并联的方式连接。
14.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
15.1.本实用新型的内部串联型固态电池，通过以氧化铌作为负极材料，从而使得可以以铝箔作为双极性集流体，避免了现有技术中以复合型箔材作为双极性集流体时加工困难的缺陷。
16.2.本实用新型的内部串联型固态电池，解决了集流体需要同时满足抗氧化和抗还原的需求这一问题。同时与钛酸锂负极材料相比，提高了嵌锂容量和压实密度，进一步提高了电池的能量密度。
附图说明
17.图1为本实用新型一实施例的内部串联型固态电池的结构示意图；
18.其中：1、第一集流体；2、第一正极层；3、第一固体电解质层；4、第一负极层；5、第二集流体；6、第二正极层；7、第二固体电解质层；8、第二负极层；9、第三集流体。
具体实施方式
19.下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
20.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
21.如无特殊说明，本实用新型实施例所涉及的试剂均为市售产品，均可以通过商业渠道购买获得。
22.如背景技术所述，在内部串联型固态电池中，必须要有双极性的集流体，该集流体必须满足一面耐氧化，一面耐还原的特性。并且还必须保证电池单元在电子导电的同时，集流体内部绝缘，电解液不会在中间渗透，否则将从内短路。目前常用的铝箔集流体、铜箔集流体均不能满足双极性集流体的需要，企业一般都是将金属箔直接复合到一起形成复合型箔材或者将金属箔粘接到具有粘性聚合物层的两侧。但是金属箔一般都是通过压延成型的，无法将厚度做到超薄；若将箔材做到超薄，其表面很容易产生孔洞，导致电解液泄露。
23.为了解决复合型箔材集流体加工困难这一技术问题，发明人另辟蹊径，仍以常用
的铝箔集流体作为双极性集流体，而选择氧化铌作为负极材料，从而完成了本发明。下面对本实用新型的技术方案进行具体阐述。
24.本实用新型提供了一种内部串联型固态电池，包括两个或多个电池单元，每一电池单元均包括集流体、固态电解质层和由正极层和负极层形成的电极层；所述两个或多个电池单元通过叠加的方式形成串联型固态电池，且相邻两电池单元被叠加为使其中一电池单元的集流体接触另一电池单元的电极层；其中，所述集流体为铝集流体，所述负极层为氧化铌层。该固态电池中，相邻两个电池单元使用同一个铝箔作为正负极的集流体，使得相邻的两个电池单元形成串联。
25.氧化铌作为负极材料，其电位高，嵌锂电位平台在1.8v，高于石墨和金属锂，因此以铝箔为集流体时不会形成al-li合金，内部串联时只需要满足抗氧化性即可，从而实现了固态电池的内部串联。另外，氧化铌的压实密度可达到2.7g/cc，远高于石墨的1.4-1.7g/cc，有利于提高电池的能量密度。
26.目前，现有技术中出现了以钛酸锂作为负极材料的技术方案，同样可以使用铝箔作为双极性集流体。但是与钛酸锂相比，氧化铌具有更高的克容量和压实密度，其克容量可以达到200mah/g，高于钛酸锂的170mah/g；压实密度可达到2.7g/cc，也高于钛酸锂的1.8-1.9g/cc。因此，本实用新型以氧化铌作为负极材料，提高了嵌锂容量和压实密度，进一步提高了电池的能量密度。
27.在本实用新型的一个示意性实施例中，所述电池单元包括按顺序依次层叠的集流体、正极层、固态电解质层和负极层，且相邻两电池单元被叠加为使得一个电池单元的集流体接触下一电池单元的负极层，以得到内部串联型固态电池。
28.请参见图1，在本实用新型的另一个示意性实施例中，所述内部串联型固态电池包括第一电池单元和第二电池单元，其中，第一电池单元包括按顺序依次叠层的第一集流体1、第一正极层2、第一固体电解质层3、第一负极层4，所述第二电池单元包括按顺序依次叠层的第二集流体5、第二正极层6、第二固体电解质层7、第二负极层8和第三集流体9；所述第一电池单元和第二电池单元被叠加为使所述第二集流体与第一负极层接触，以得到内部串联型固态电池。
29.本实用新型中，所述正极层材料可选用本领域公开已知的常用正极材料，包括但不限于三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂或镍钴锰酸锂等。可以理解，正极层在制备过程中，除了上述锂源材料之外，还添加有适量的导电剂、粘结剂、固态电解质等必要的功能性材料。例如，在一种实施例中，所述正极层材料的配方为三元:pvdf(solef 5130、hsv900等):sp:固态电解质＝80:5:5:10。当然，正极层材料的配方并不限于此，还可采用其他合适的配方。
30.同样的，本实用新型中，负极材料除了氧化铌之外，也添加有适量的导电剂、粘结剂、固态电解质等必要的功能性材料。例如，在一种实施例中，所述负极层材料的配方为:氧化铌:pvdf(kf9300):sp:固态电解质＝80:5:5:10。当然，负极层材料的配方并不限于此，还可采用其他合适的配方。
31.本实用新型中，固态电解质层的材料可选用本领域公开已知的常用固态电解质材料，包括但不限于磷酸钛铝锂、钛酸镧锂或锂镧锆氧等。所述固态电解质层的厚度为10～70μm，优选为50～70μm。
32.本实用新型的串联型固态电池的制备过程中，将固态电解质配制成浆料后，可使用现有浆料涂布方式(刮刀涂布，挤压涂布及转移涂布)将固态电解质涂布在正负极表面，然后通过叠片方式将正负极叠片组装起来得到一个电池单元，两个或多个电池单元再通过叠加的方式形成内部串联型固态电池。
33.本实用新型的串联型固态电池可进一步组装形成固态电池组。在一实施例中，所述固态电池组包括电池组壳体以及一个或多个所述的内部串联型固态电池，其中，所述一个或多个内部串联型固态电池置入所述电池组壳体内且配置为以串联或并联的方式连接。
34.综上，本实用新型实现了固态电池的内部串联，并且在不改变铝箔集流体的情况下，解决了集流体需要同时满足抗氧化和抗还原的需求的技术问题。另外，相对于以钛酸锂作为负极材料的技术方案，本实用新型的技术方案提高了嵌锂容量和压实密度，进一步提高了电池的能量密度。
35.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。