一种3D结构的薄膜锂电池的制作方法

本发明涉及锂电池技术领域，具体为一种3D结构的薄膜锂电池。

背景技术：

化学电源发展一直朝着高比能量、长寿命、高安全的方向发展，随着20世纪90年代锂离子电池的发明，化学电源的发展迈出了重要的一步。在锂离子电池研究不断深入的同时，人们开始尝试研究比锂离子电池拥有更高比能量、更长循环寿命、更安全的电池。1983年，K.Kanehori等提出开发全固态无机薄膜锂电池，其理论上具有比锂离子电池更高的比能量，也更安全，随后，人们逐渐开始了无机全固态薄膜锂电池的研究，以TiS2、MoO1.6S1.8等薄膜为阴极，玻璃态氧化物为电解质的全固态薄膜锂电池被开发出来，但这些电池性能较差。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种3D结构的薄膜锂电池，采用薄膜正极和负极和薄膜固态电解质，无机固态电解质的薄膜形态使离子电导率较低的固态电解质代替液体电解质成为可能，而正极和负极的薄膜形态使其可以应用很多充放电体积变化较大的正极和负极材料，同时，由于薄膜锂电池的薄膜形态，使其很容易加工成微米级电池，电池结构简单，加工容易，电化学稳定、热稳定、抗震、耐冲击、不存在漏液和污染问题，易于小型化及制成薄膜，采用多单元包覆叠层电堆结构，减少内短路现象的产生，有效阻止了相临单元电极间内短路的发生，保证了电池工作电压的稳定性和放电容量，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种3D结构的薄膜锂电池，包括硅基体，在硅基体表面两侧分别为正极集流体和负极集流体，在硅基体上加工很多规则排列的微孔，在微孔内沉积Li+扩散阻隔层TiN，然后以硅为负极，LiPON为固态电解质，LiCoO₂为正极制成电池，并在硅基体上形成封装保护层，包覆正极集流体、负极集流体和固态电解质，所述正极集流体、负极集流体均采用多单元包覆叠层电堆结构，均以集流片为主体，集流片与正极、负极之间依次均设有碳膜和隔膜，正极与负极之间为包覆绝缘环，将正极和负极和电解液之间的电解液空间通过包覆绝缘环隔离开来。

优选的，所述固态电解质合成最佳比例的LiPON电解质膜为Li_2.88PO_3.73N_0.14，是通过在N₂气氛下溅射得到的薄膜，且其化学性质和电化学性质稳定。

优选的，所述封装保护层为利用弹性胶体在电池芯周围形成防振动、冲击的保护层。

优选的，所述固态电解质是通过将 CH₃COOLi、LiPON、La₂O₃和 ZrO ₂混合研磨，在研磨后的混合物在惰性气氛下，先在 500-580℃下预烧80-120分钟，然后升至750-850℃下煅烧 2-4 小时，得到所述全固态锂电池电解质。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用薄膜正极和负极和薄膜固态电解质，无机固态电解质的薄膜形态使离子电导率较低的固态电解质代替液体电解质成为可能，而正极和负极的薄膜形态使其可以应用很多充放电体积变化较大的正极和负极材料，同时，由于薄膜锂电池的薄膜形态，使其很容易加工成微米级电池，电池结构简单，加工容易，电化学稳定、热稳定、抗震、耐冲击、不存在漏液和污染问题，易于小型化及制成薄膜，采用多单元包覆叠层电堆结构，减少内短路现象的产生，有效阻止了相临单元电极间内短路的发生，保证了电池工作电压的稳定性和放电容量。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明多单元包覆叠层电堆结构示意图。

1-硅基体；2-正极集流体；3-负极集流体；4-正极；5-负极；6-固态电解质；7-封装保护层；8-集流片；9-碳膜；10-隔膜；11-包覆绝缘环；12-电解液空间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：一种3D结构的薄膜锂电池，包括硅基体1，在硅基体1表面两侧分别为正极集流体2和负极集流体3，在硅基体1上加工很多规则排列的微孔，在微孔内沉积Li+扩散阻隔层TiN，然后以硅为负极4，LiPON为固态电解质6，LiCoO₂为正极5制成电池，并在硅基体1上形成封装保护层7，包覆正极集流体2、负极集流体3和固态电解质6，所述正极集流体2、负极集流体3均采用多单元包覆叠层电堆结构，均以集流片8为主体，集流片8与正极4、负极5之间依次均设有碳膜9和隔膜10，正极4与负极5之间为包覆绝缘环11，将正极4和负极5和电解液之间的电解液空间12通过包覆绝缘环11隔离开来。

所述固态电解质合成最佳比例的LiPON电解质膜为Li_2.88PO_3.73N_0.14，是通过在N₂气氛下溅射得到的薄膜，且其化学性质和电化学性质稳定；所述封装保护层为利用弹性胶体在电池芯周围形成防振动、冲击的保护层。

优选的，所述固态电解质是通过将 CH₃COOLi、LiPON、La₂O₃和 ZrO ₂混合研磨，在研磨后的混合物在惰性气氛下，先在 500-580℃下预烧80-120分钟，然后升至750-850℃下煅烧 2-4 小时，得到所述全固态锂电池电解质。

本发明采用薄膜正极和负极和薄膜固态电解质，无机固态电解质的薄膜形态使离子电导率较低的固态电解质代替液体电解质成为可能，而正极和负极的薄膜形态使其可以应用很多充放电体积变化较大的正极和负极材料，同时，由于薄膜锂电池的薄膜形态，使其很容易加工成微米级电池，电池结构简单，加工容易，电化学稳定、热稳定、抗震、耐冲击、不存在漏液和污染问题，易于小型化及制成薄膜，采用多单元包覆叠层电堆结构，减少内短路现象的产生，有效阻止了相临单元电极间内短路的发生，保证了电池工作电压的稳定性和放电容量。

固态薄膜锂电池易加工为微、纳电池，又具有比能量、循环性能好等诸多优势，所以其必将是微电池发展的方向。随着对薄膜锂电池研究的深入，新型的电解质和正极和负极的研发，全固态薄膜锂电池性能将进一步提升，同时，其加工难度和加工成本下降，使其有可能代替现有的锂离子电池，成为二次电池发展的最终目标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。