一种高能量密度的全固态薄膜电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高能量密度的全固态薄膜电池，包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层；所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长，其中负极活性物质是采用钛酸锂、铁酸锂的混合，所述正极活性物质是钴酸锂与锰酸锂的混合。本发明还公开了该全固态薄膜电池的制备方法，本发明制得的全固态薄膜电池能量密度高，稳定性好，使用寿命久。
【专利说明】
一种高能量密度的全固态薄膜电池及其制备方法
技术领域
:
[0001]本发明涉及薄膜电池领域，具体的涉及一种高能量密度的全固态薄膜电池。
【背景技术】
:
[0002]随着电子信息工业和微型加工技术快速发展，对其所需的微型能源则提出了特殊微型化的要求。其中全固态薄膜锂离子二次电池因其高的能量密度、强的安全性、长的循环寿命、宽的工作电压和重量轻等优点，成为微电池系统需求的最佳选择。此外，其固态薄膜锂离子电池还有以下优点:(I)可根据产品的要求设计任何形状；(2)可组装在不同材料的基底上；(3)可用标准的沉积条件实现薄膜电池的制备;工作温度窗口宽(-15—150°C); (4)没有固液接触界面，减小了固液界面电阻；(5)安全系数高，电池工作时没有气体产物。上述优点使它成为微电子器件的理想电源。
[0003]但是尽管具有以上优点，全固态锂离子电池在应用过程中还是具有很多问题，如何进一步提高其能量密度以及使用寿命成为关键问题。
【发明内容】
:
[0004]本发明的目的是提供一种高能量密度的全固态薄膜电池，该电池具有较高的能量密度，稳定性好，使用寿命久。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种高能量密度的全固态薄膜电池，该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。
[0007]作为上述技术方案的优选，所述基底材料采用碳、硅、铜、铝、不锈钢片中的一种，其表面粗糙度小于I OOnm。
[0008]作为上述技术方案的优选，所述金属集流层的厚度为100-300nm。
[0009]作为上述技术方案的优选，所述交替生长的薄膜单层厚度为0.5-5nm，薄膜总厚度为 2-5μηι0
[0010]作为上述技术方案的优选，所述负极活性物质是采用钛酸锂、铁酸锂的混合，所述正极活性物质是钴酸锂与锰酸锂的混合。
[0011]作为上述技术方案的优选，所述电解质膜是在氮气气氛下采用磁控溅射法溅射磷酸锂靶材制得。
[0012]—种高能量密度的全固态薄膜电池的制备方法，包括以下步骤:
[0013](I)选取基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射；
[0014](2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层；
[0015](3)采用负极活性物质材料作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为10-15转/min，预溅射2-4h以上，采用对耙交替沉积的方法，每一块靶材轰击10-15下，总沉积时间为10-20min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照5-10°C/min的升温速率将温度升温至550-5800C，保温30-50min，自然冷却至室温；
[0016](4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为8-10转/min，预溅射l-3h以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积30-60min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照3-6°C/min的升温速率将温度升温至500-530°C，保温30-50min，自然冷却至室温，制得电解质膜；
[0017](5)采用步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
[0018]本发明具有以下有益效果:
[0019]本发明制得的全固态薄膜电池的正极和负极采用多层复合薄膜组成，且各层厚度可以能够调控，且可以实现极小尺寸范围内控制薄膜的生长，层与层之间结合的比较紧密，制得的电池电化学性能好，能量密度高，稳定性好，使用寿命久。
【具体实施方式】
:
[0020]为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
[0021]实施例1
[0022]—种高能量密度的全固态薄膜电池，该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。
[0023]其制备方法包括以下步骤:
[0024](I)选取碳作为基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射；
[0025](2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层；
[0026](3)采用钛酸锂、铁酸锂作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为1转/min，预溅射4h以上，采用对耙交替沉积的方法，每一块靶材轰击1下，总沉积时间为20min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照5°C/min的升温速率将温度升温至550°C，保温50min，自然冷却至室温；
[0027](4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为8转/min，预溅射3h以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积30min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照3°C/min的升温速率将温度升温至500°C，保温50min，自然冷却至室温，制得电解质膜；
[0028](5)采用钴酸锂与锰酸锂作为正极活性物质材料，根据步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
[0029]实施例2
[0030]—种高能量密度的全固态薄膜电池，该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。
[0031]其制备方法包括以下步骤:
[0032](I)选取硅作为基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射；
[0033](2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层；
[0034](3)采用钛酸锂、铁酸锂作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为15转/min，预派射2h以上，采用对把交替沉积的方法，每一块革E材轰击15下，总沉积时间为lOmin，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照10°C/min的升温速率将温度升温至580°C，保温30min，自然冷却至室温；
[0035](4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为10转/min，预溅射Ih以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积60min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照6°C/min的升温速率将温度升温至530°C，保温30min，自然冷却至室温，制得电解质膜；
[0036](5)采用钴酸锂与锰酸锂作为正极活性物质材料，根据步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
[0037]实施例3
[0038]—种高能量密度的全固态薄膜电池，该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。
[0039]其制备方法包括以下步骤:
[0040](I)选取铜作为基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射；
[0041](2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层；
[0042](3)采用钛酸锂、铁酸锂作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为11转/min，预派射3.5h以上，采用对把交替沉积的方法，每一块革E材轰击14下，总沉积时间为15min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照6°C/min的升温速率将温度升温至570°C，保温35min，自然冷却至室温；
[0043](4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为8转/min，预溅射2.5h以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积40min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照4°(:/1^11的升温速率将温度升温至510°(:，保温451^11，自然冷却至室温，制得电解质膜；
[0044](5)采用钴酸锂与锰酸锂作为正极活性物质材料，根据步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
[0045]实施例4
[0046]—种高能量密度的全固态薄膜电池，该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。
[0047]其制备方法包括以下步骤:
[0048](I)选取铝作为基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射；
[0049](2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层；
[0050](3)采用钛酸锂、铁酸锂作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为12转/min，预派射3h以上，采用对把交替沉积的方法，每一块革E材轰击13下，总沉积时间为lOmin，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照7°C/min的升温速率将温度升温至565°C，保温40min，自然冷却至室温；
[0051](4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为9转/min，预溅射2h以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积45min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照5°(:/1^11的升温速率将温度升温至520°(:，保温401^11，自然冷却至室温，制得电解质膜；
[0052](5)采用钴酸锂与锰酸锂作为正极活性物质材料，根据步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
[0053]实施例5
[0054]—种高能量密度的全固态薄膜电池，该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。
[0055]其制备方法包括以下步骤:
[0056](I)选取不锈钢片作为基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射；
[0057](2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层；
[0058](3)采用钛酸锂、铁酸锂作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为12转/min，预溅射2h以上，采用对耙交替沉积的方法，每一块靶材轰击14下，总沉积时间为20min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照8°C/min的升温速率将温度升温至570°C，保温35min，自然冷却至室温；
[0059](4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为9转/min，预溅射1.5h以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积50min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照5.5°C/min的升温速率将温度升温至520°C，保温35min，自然冷却至室温，制得电解质膜；
[0060](5)采用钴酸锂与锰酸锂作为正极活性物质材料，根据步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
【主权项】
1.一种高能量密度的全固态薄膜电池，其特征在于:该全固态薄膜电池包括基底材料层、金属集流层、负极活性物质层、电解质薄膜层、正极活性物质层、金属集流层;所述负极活性物质层和正极活性物质层均由多层复合薄膜组成，其通过真空沉积技术交替生长。2.如权利要求1所述的一种高能量密度的全固态薄膜电池，其特征在于:所述基底材料采用碳、硅、铜、铝、不锈钢片中的一种，其表面粗糙度小于lOOnm。3.如权利要求1所述的一种高能量密度的全固态薄膜电池，其特征在于:所述金属集流层的厚度为100-300nmo4.如权利要求1所述的一种高能量密度的全固态薄膜电池，其特征在于:所述交替生长的薄膜单层厚度为0.5-5nm，薄膜总厚度为2-5μπι。5.如权利要求1所述的一种高能量密度的全固态薄膜电池，其特征在于:所述负极活性物质是采用钛酸锂、铁酸锂的混合，所述正极活性物质是钴酸锂与锰酸锂的混合。6.如权利要求1所述的一种高能量密度的全固态薄膜电池，其特征在于:所述电解质膜是在氮气气氛下采用磁控溅射法溅射磷酸锂靶材制得。7.如权利要求1至6任一所述的一种高能量密度的全固态薄膜电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)选取基底材料层，用500目-3000目的砂纸对基片表面进行机械抛光，直至表面能发生镜面反射； (2)采用磁控溅射技术在基底表面沉积一层金属流体层； (3)采用负极活性物质材料作为靶材，安装好靶材和基片以后关闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—7Pa以下，调整靶材与基片间的距离为60mm，自转速率为10-15转/min，预派射2-4h以上，采用对把交替沉积的方法，每一块革E材轰击10-15下，总沉积时间为10-20min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照5-10°C/min的升温速率将温度升温至550-5800C，保温30-50min，自然冷却至室温； (4)采用磷酸锂作为靶材，安装好靶材和沉积有负极活性物质层的基片闭送样室和外延室，利用机械栗，分子栗，离子栗将外延室真空抽至I X 10—6Pa以下，通入氮气，调整靶材与基片间的距离为50mm，自转速率为8-10转/min，预溅射l-3h以上，然后溅射磷酸锂靶材，沉积30-60min，然后关闭沉积装置，待冷却后将基片取出，放入真空热处理炉中，在大气的气氛下进行退火处理，按照3-6°C/min的升温速率将温度升温至500-530°C，保温30_50min，自然冷却至室温，制得电解质膜； (5)采用步骤(3)所述的方法在电解质膜层表面制备正极活性物质层，然后采用磁控溅射技术在其表面沉积一层金属集流层。
【文档编号】H01M4/131GK106099201SQ201610688363
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月18日 公开号201610688363.8, CN 106099201 A, CN 106099201A, CN 201610688363, CN-A-106099201, CN106099201 A, CN106099201A, CN201610688363, CN201610688363.8
【发明人】付竹兰
【申请人】付竹兰