一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法与流程

本发明涉及固态电池技术领域，其特别涉及一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法。

背景技术：

随着电子产品的微型化、集成化成为了当今技术发展的大趋势，运用在电子产品上的电池同样需要微型化。微电池在未来便携式电子设备、国防装备及微电子机械系统(mems)等方面有着广泛的应用前景，受到人们的重视。国内外积极开展研究的微电池系列有：锂电池、锌镍电池、太阳能电池、燃料电池等。锂电池被认为是最合适的电源。

目前绝大多数锂电池采用液态电解液实现离子传输过程，液态电解液的使用给电池带来了密封和安全性问题，所以，使用固态电解质的全固态锂电池成为研究开发的热点。全固态薄膜锂电池由于具有重量轻、体积小、循环寿命长、能量密度高、使用温度范围宽和安全性能好等优点已成为目前研究的热点。目前对无机全固态薄膜锂电池的研究方向主要分为：(1)研发新的电池结构，提高电池单位面积的容量、放电功率，解决薄膜锂电池单位面积容量和功率低的问题；(2)研究新型高离子电导率的固态电解质，解决无机固态电解质锂离子电导率低的问题；(3)研究新型正、负极，使成膜后的正、负极具有更高的电流密度和比能量；(5)研发新的成膜技术，使成膜过程更快速、简便、成功率更高。然而，目前对无机全固态薄膜锂电池的研发都是针对单个电池单元，单个微型储能薄膜锂电池的输出电压和电流有限，难以满足需要高电压、大电流驱动的电子器件的应用需求。

因此，亟待提供一种可有效解决上述问题的新型技术方案。

技术实现要素：

为解决现有单个微型储能薄膜锂电池存在的难以满足需要高电压、大电流驱动电子器件的技术问题，本发明提供一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题，提供如下的技术方案：一种微纳集成固态薄膜锂电池，其包括衬底及形成在所述衬底之上的多个薄膜锂电池微单元，所述衬底上设有导电线路，多个所述薄膜锂电池微单元与导电线路电连接，所述薄膜锂电池微单元包括在衬底上依次形成的两个独立设置的集流体、正电极膜、固态电解质膜及负电极膜，其中，两个集流体分别电连接至所述导电线路，其中一集流体与正电极膜电接触，另一集流体与负电极膜电接触，所述固态电解质膜设于所述正电极膜与所述负电极膜之间。

优选地，多个所述薄膜锂电池微单元之间采用多层堆叠。

优选地，所述微纳集成固态薄膜锂电池还包括封装膜，所述封装膜对多个所述薄膜锂电池微单元进行封装保护，或对所述微纳集成固态薄膜锂电池整体进行封装保护。

优选地，所述封装膜的材料包括聚二甲基硅氧烷，所述聚二甲基硅氧烷通过对所述薄膜锂电池微单元或所述微纳集成固态薄膜锂电池进行包覆以实现封装保护。

优选地，所述衬底的材料包括绝缘材料，具体包括布料、海绵、纸基材料、pet、pi、msio2·nh2o、聚氨酯、硅基材料、sio2、mgo、srtio3、ndgao3、云母、(laalo3)0.3-(sral0.5ta0.5o3)0.7、gd3gd5o12中的一种。

优选地，所述集流体包括不锈钢、cu、ni、al、au、ag、cr、pt、ti中的一种；所述固态电解质膜包括li3n、硫化物、无定形硼酸盐(li2o-b2o3–sio2)、硅酸盐(li2o-v2o5-sio2)、lipon、li3xla2/3-xtio3(llto)、linbo3、litao3、li1+xmxti2-x(po4)3(latp)、li3ocl、li7la3zr2o12(llzo)中的任一种。

优选地，所述正电极膜包括tis2、fes、v2o5、licoo2、linio2、limn2o4、lifepo4、limnpo4、lini0.5mn1.5o4、licomno4、lini1-x-ymnxcoyo2、lini0.8co0.15al0.05o2、li[li0.2mn0.54ni0.13co0.13]o2中的任一种；所述负电极膜包括li、lial、si、sn、si37c63、sicu、li2sis3、li4ti5o12、tio2、sno2、sn3n4、sno或co3o4中的任一种。

优选地，所述微纳集成固态薄膜锂电池是通过多个所述薄膜锂电池微单元进行串联或并联得到。

优选地，所述导电线路包括引线和金手指，每一所述薄膜锂电池微单元的正/负电极膜上均设有所述引线，所述金手指设于多个所述薄膜锂电池微单元线路集中的一端，所述引线汇集至所述金手指处并与所述金手指连通；所述微纳集成固态薄膜锂电池还包括电路控制模块，所述电路控制模块包括电芯阵列金手指端和用能端插拔口，所述电芯阵列金手指端与所述金手指连通，所述用能端插拔口位于电路控制模块远离所述微纳集成固态薄膜锂电池的一侧，所述用能端插拔口可插拔，通过对所述用能端插拔口的插拔可实现所述电路控制模块对所述微纳集成固态薄膜电池的控制。

本发明为解决上述技术问题，提供又一技术方案如下：一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法，所述微纳集成固态薄膜锂电池中包括多个薄膜锂电池微单元，每个所述薄膜锂电池微单元采用如下制备方法获得：步骤s1，提供一具有导电线路的衬底；步骤s2，在所述衬底上形成两个独立设置的集流体，每个所述集流体电连接至衬底的导电线路之上；及步骤s3，在其中一所述集流体上制备正电极膜，在另一所述集流体上制备负电极膜，并在正电极膜与负电极膜之间形成固态电解质膜。

本发明所提供的一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法具有如下的有益效果：

本发明的微纳集成固态薄膜锂电池包括衬底及形成在所述衬底之上的多个薄膜锂电池微单元，所述衬底上设有导电线路，多个所述薄膜锂电池微单元与导电线路电连接，所述薄膜锂电池微单元包括在衬底上依次形成的两个独立设置的集流体、正电极膜、固态电解质膜及负电极膜，其中，两个集流体分别电连接至所述导电线路，其中一集流体与正电极膜电接触，另一集流体与负电极膜电接触，所述固态电解质膜设于所述正电极膜与所述负电极膜之间。本发明的微纳集成固态薄膜锂电池通过在一个衬底上设置多个薄膜锂电池微单元，并将多个所述薄膜锂电池微单元与导电线路电连接，实现将多个薄膜锂电池微单元集成为具备高电压、大电流的集成阵列，从而使得本发明的微纳薄膜固态锂电池能够满足高电压、高能量密度、高功率密度的使用需求。

进一步地，导电线路包括引线和金手指，每一所述薄膜锂电池微单元的正电极膜/负电极膜上均设有所述引线，所述金手指设于多个所述薄膜锂电池微单元线路集中的一端，所述引线汇集至所述金手指处并与所述金手指连通。本发明的每一薄膜锂电池微单元的正电极膜/负电极膜所在的正极/负极均包括独立的引线与金手指连通，使得多个薄膜锂电池微单元集成的微纳集成固态薄膜锂电池输出的电压、电流、功率可控，从而保证能输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

更进一步地，微纳集成固态薄膜锂电池还包括电路控制模块，所述电路控制模块包括电芯阵列金手指端和用能端插拔口，所述电芯阵列金手指端与所述金手指连通，所述用能端插拔口位于电路控制模块远离所述微纳集成固态薄膜锂电池的一侧，所述用能端插拔口可插拔，通过对所述用能端插拔口的插拔可实现所述电路控制模块对所述微纳集成固态薄膜电池的控制。即在使用过程中，通过快速插拔用能端插拔口实现其与用能侧及电芯阵列金手指端的快速连接，即可调控多个所述薄膜锂电池微单元的工作，使微纳集成固态薄膜电池得以输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

本实施方式中，多个所述薄膜锂电池微单元之间采用多层堆叠，多个所述薄膜锂电池微单元堆叠运用不仅显著减少了微纳集成固态薄膜电池的占据面积，还可以提升所述微纳集成固态薄膜电池的集中度，使之运用在一些功能性器件中，能够与microsoft群集服务集成到微电子技术中的可靠性更高。

所述微纳集成固态薄膜锂电池是通过多个所述薄膜锂电池微单元进行串联或并联得到。多个所述薄膜锂电池微单元以不同的串并联结构工作，能够输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

本发明所提供的一种微纳集成固态薄膜锂电池的制备方法，具有与微纳集成固态薄膜锂电池相同的有益效果，使得通过本发明制备得出的微纳薄膜固态锂电池能够满足高电压、高能量密度、高功率密度的使用需求。

【附图说明】

图1是本发明所述的微纳集成固态薄膜锂电池的薄膜锂电池微单元的截面示意图；

图2是本发明所述的微纳集成固态薄膜锂电池的多个薄膜锂电池微单元的阵列示意图；

图3是本发明所述的微纳集成固态薄膜锂电池的电路控制模块的平面示意图；

图4是本发明所述的微纳集成固态薄膜锂电池的制备方法的步骤流程示意图。

附图标识说明：

11、衬底；12、薄膜锂电池微单元；13、导电线路；131、引线；132、金手指；14、集流体；15、正电极膜；16、固态电解质膜；17、负电极膜；18、封装膜；19、电路控制模块；191、电芯阵列金手指端；192、用能端插拔口；100、微纳集成固态薄膜锂电池；s10、微纳集成固态薄膜锂电池的制备方法。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1及图2，本发明提供一种微纳集成固态薄膜锂电池100，其包括衬底11及形成在所述衬底11之上的多个薄膜锂电池微单元12，所述衬底11上设有导电线路13，多个所述薄膜锂电池微单元12与导电线路13电连接，所述薄膜锂电池微单元12包括在衬底11上依次形成的两个独立设置的集流体14、正电极膜15、固态电解质膜16及负电极膜17，其中，两个集流体14分别电连接至所述导电线路13，其中一集流体14与正电极膜15电接触，另一集流体14与负电极膜17电接触，所述固态电解质膜16设于所述正电极膜15与所述负电极膜17之间。本发明的微纳集成固态薄膜锂电池100通过在一个衬底11上设置多个薄膜锂电池微单元12，并将多个所述薄膜锂电池微单元12与导电线路13电连接，再通过具有快速插拔功能的电路控制模块19实现将多个薄膜锂电池微单元12集成为具备高电压、大电流的集成阵列，从而使得本发明的微纳薄膜固态锂电池100能够满足高电压、高能量密度、高功率密度的使用需求。

具体地，所述衬底11的材料包括绝缘材料，具体包括布料、海绵、纸基材料、pet、pi、msio2·nh2o、聚氨酯、硅基材料、sio2、mgo、srtio3、ndgao3、云母、(laalo3)0.3-(sral0.5ta0.5o3)0.7、gd3gd5o12中的一种。所述衬底11可选用其中任一材料制备，当然，衬底11的制备材料不限于此，还可以由其它材料制备，只要满足是绝缘材料，能够不影响在衬底11上制备的其他结构即可。

所述集流体14包括不锈钢、cu、ni、al、au、ag、cr、pt、ti中的一种。所述集流体14可选用其中任一材料制备，当然，集流体14的制备材料不限于此，还可以由其它材料制备，只要能够实现将薄膜锂电池微单元的活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出的作用即可。

所述正电极膜15包括tis2、fes、v2o5、licoo2、linio2、limn2o4、lifepo4、limnpo4、lini0.5mn1.5o4、licomno4、lini1-x-ymnxcoyo2、lini0.8co0.15al0.05o2、li[li0.2mn0.54ni0.13co0.13]o2中的任一种。所述正电极膜15可选用其中任一材料制备，当然，正电极膜15的制备材料不限于此，还可以由其它材料制备，只要能够实现作为薄膜锂电池微单元12的正极使用即可。

所述负电极膜17包括li、lial、si、sn、si37c63、sicu、li2sis3、li4ti5o12、tio2、sno2、sn3n4、sno或co3o4中的任一种。所述负电极膜17可选用其中任一材料制备，当然，负电极膜17的制备材料不限于此，还可以由其它材料制备，只要能够实现作为薄膜锂电池微单元12的负极使用即可。

所述固态电解质膜16包括li3n、硫化物、无定形硼酸盐(li2o-b2o3–sio2)、硅酸盐(li2o-v2o5-sio2)、lipon、li3xla2/3-xtio3(llto)、linbo3、litao3、li1+xmxti2-x(po4)3(latp)、li3ocl、li7la3zr2o12(llzo)中的任一种。所述固态电解质膜16可选用其中任一材料制备，当然，固态电解质膜16的制备原料不限于此，还可以由其它原料制备，只要能够实现作为薄膜锂电池微单元12内的质子交换膜，实现质子交换作用即可。

进一步地，所述微纳集成固态薄膜锂电池100还包括封装膜18，所述封装膜18对多个所述薄膜锂电池微单元12进行封装保护，或对所述微纳集成固态薄膜锂电池100整体进行封装保护。即封装膜18可以对单个薄膜锂电池微单元12进行封装，也可以对整个微纳集成固态薄膜锂电池100进行封装，均能够起到保护微纳集成固态薄膜锂电池100的内部结构的作用，确保微纳集成固态薄膜锂电池100的电化学性能稳定。

更进一步地，所述封装膜18的材料包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，缩写为pdms)，所述聚二甲基硅氧烷通过对所述薄膜锂电池微单元12或所述微纳集成固态薄膜锂电池100进行包覆以实现封装保护。由于聚二甲基硅氧烷是一种高粘度的直链型硅油，具备黏度范围宽、耐高低温、耐辐射，低表面张力、高压缩率、抗氧、高绝缘性、疏水性、高光泽等特点，同时对材料有惰性，能够很好地对电池进行封装并起到隔绝作用。当然，封装膜18的材料不限于此，其它具备良好的封装作用的材料亦可使用。

请参阅图2，所述导电线路13包括引线131和金手指132，每一所述薄膜锂电池微单元12的正电极膜15/负电极膜17上均设有所述引线131，所述金手指132设于多个所述薄膜锂电池微单元12线路集中的一端，所述引线131汇集至所述金手指132处并与所述金手指132连通。本发明的每一薄膜锂电池微单元12的正电极膜15/负电极膜17所在的正极/负极均包括独立的引线131与金手指132连通，使得多个薄膜锂电池微单元12集成的微纳集成固态薄膜锂电池100输出的电压、电流、功率可控，从而保证能输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

请参阅图3，所述微纳集成固态薄膜锂电池100还包括电路控制模块19，所述电路控制模块包括电芯阵列金手指端191和用能端插拔口192，所述电芯阵列金手指端191与所述金手指132连通，所述用能端插拔口192位于电路控制模块19远离所述微纳集成固态薄膜锂电池100的一侧，所述用能端插拔口192可插拔，通过对所述用能端插拔口192的插拔可实现所述电路控制模块19对所述微纳集成固态薄膜电池100的控制。即在使用过程中，通过快速插拔用能端插拔口192实现其与用能侧及电芯阵列金手指端191的快速连接，即可调控多个所述薄膜锂电池微单元12的工作，使微纳集成固态薄膜电池100得以输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

本实施方式中，多个所述薄膜锂电池微单元12之间采用多层堆叠，多个所述薄膜锂电池微单元12堆叠运用不仅显著减少了微纳集成固态薄膜电池100的占据面积，还可以提升所述微纳集成固态薄膜电池100的集中度，使之运用在一些功能性器件中，能够与microsoft群集服务(mscs)集成到微电子技术中的可靠性更高。

具体地，所述微纳集成固态薄膜锂电池100是通过多个所述薄膜锂电池微单元12进行串联或并联得到。通过电路控制模块19控制多个所述薄膜锂电池微单元12以不同的串并联结构工作，能够输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

请参阅图4，本发明还提供一种微纳集成固态薄膜锂电池的制备方法s10，所述微纳集成固态薄膜锂电池中包括多个薄膜锂电池微单元12，每个所述薄膜锂电池微单元12采用如下制备方法获得：

步骤s1，提供一具有导电线路13的衬底11；

步骤s2，在所述衬底11上形成两个独立设置的集流体14，每个所述集流体14电连接至衬底11的导电线路13之上；及

步骤s3，在其中一所述集流体14上制备正电极膜15，在另一所述集流体14上制备负电极膜17，并在正电极膜15与负电极膜17之间形成固态电解质膜16。

在此需要说明，所述集流体14、所述正电极膜15、所述负电极膜17、所述固态电解质膜16及所述封装膜18可由射频磁控溅射沉积法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发法、喷墨打印法、丝网印刷法、3d打印法、静电喷雾热解法、等离子增强化学气相沉积法及化学气相沉积法在所述衬底11上制备得到，具体可根据实际情况灵活选用。

本发明还提供了制备薄膜锂电池微单元12的一种具体实施方式，包括以下步骤：

步骤一：准备材料为pet膜的衬底11，并用乙醇对pet膜表面进行清洗，80℃真空干燥2h，备用。

步骤二：在材料为pet膜的衬底11上通过丝网印刷法印刷两个材料为铜的集流体14，具体的丝网印刷铜浆固含量为70～80％，粘度为1000-5000mpa·s，在100℃条件下烘烤10min以上，厚度为0～500nm。

步骤三：在集流体14上，通过射频磁控溅射沉积法溅射材料为licoo2的正电极膜15，具体的以1℃min^-1的速度将样品台温度升至780℃，温度达到780℃并保温10min后通入氩气和氧气，氩气流速为40sccm，氧气流速为10sccm，将靶基距调整为5cm，开始预溅射，功率为150～230w，工作气压为2.5pa，时间为30min。预溅射结束以后打开挡板，2h以后关闭射频源，保温15min以稳定薄膜的结晶状，溅射厚度0～1um。

步骤四：在licoo2正电极膜15上，磁控溅射原料为lpon的固态电解质膜16，具体的功率为90～200w，工作气压为0.2pa，时间为2h，工作气氛为氩气，溅射厚度为0～500nm。

步骤五：在固态电解质膜16上，真空蒸发材料为金属锂的负电极膜17，具体的锂源为电池级锂块，蒸镀室压强为10^-5～10^-4pa，蒸镀厚度为500nm～2um。

在此说明，步骤一使用乙醇对pet膜表面进行了清洗，乙醇不但可以轻松洗掉pet膜上的脂溶性物质，而且挥发快，对电子元件的性能无影响；步骤三在保温过程中通入氧气是为了避免氧元素的流失对薄膜结晶性的影响，使得薄膜结晶性能好。

本发明所提供的一种微纳集成固态薄膜锂电池及其制备方法具有如下的有益效果：

本发明的微纳集成固态薄膜锂电池包括衬底及形成在所述衬底之上的多个薄膜锂电池微单元，所述衬底上设有导电线路，多个所述薄膜锂电池微单元与导电线路电连接，所述薄膜锂电池微单元包括在衬底上依次形成的两个独立设置的集流体、正电极膜、固态电解质膜及负电极膜，其中，两个集流体分别电连接至所述导电线路，其中一集流体与正电极膜电接触，另一集流体与负电极膜电接触，所述固态电解质膜设于所述正电极膜与所述负电极膜之间。本发明的微纳集成固态薄膜锂电池通过在一个衬底上设置多个薄膜锂电池微单元，并将多个所述薄膜锂电池微单元与导电线路电连接至电路控制模块，实现将多个薄膜锂电池微单元集成为具备高电压、大电流的集成阵列，从而使得本发明的微纳薄膜固态锂电池能够满足高电压、高能量密度、高功率密度的使用需求。

进一步地，导电线路包括引线和金手指，每一所述薄膜锂电池微单元的正电极膜/负电极膜上均设有所述引线，所述金手指设于多个所述薄膜锂电池微单元线路集中的一端，所述引线汇集至所述金手指处并与所述金手指连通。本发明的每一薄膜锂电池微单元的正电极膜/负电极膜所在的正极/负极均包括独立的引线与金手指连通，使得多个薄膜锂电池微单元集成的微纳集成固态薄膜锂电池输出的电压、电流、功率可控，从而保证能输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

更进一步地，微纳集成固态薄膜锂电池还包括电路控制模块，所述电路控制模块包括电芯阵列金手指端和用能端插拔口，所述电芯阵列金手指端与所述金手指连通，所述用能端插拔口位于电路控制模块远离所述微纳集成固态薄膜锂电池的一侧，所述用能端插拔口可插拔，通过对所述用能端插拔口的插拔可实现所述电路控制模块对所述微纳集成固态薄膜电池的控制。即在使用过程中，通过快速插拔用能端插拔口实现其与用能侧及电芯阵列金手指端的快速连接，即可调控多个所述薄膜锂电池微单元的工作，使微纳集成固态薄膜电池得以输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

本实施方式中，多个所述薄膜锂电池微单元之间采用多层堆叠，多个所述薄膜锂电池微单元堆叠运用不仅显著减少了微纳集成固态薄膜电池的占据面积，还可以提升所述微纳集成固态薄膜电池的集中度，使之运用在一些功能性器件中，能够与microsoft群集服务集成到微电子技术中的可靠性更高。

所述微纳集成固态薄膜锂电池是通过多个所述薄膜锂电池微单元进行串联或并联得到。多个所述薄膜锂电池微单元以不同的串并联结构工作，能够输出适应用能侧需求的电压、电流及功率。

本发明所提供的一种微纳集成固态薄膜锂电池的制备方法，具有与微纳集成固态薄膜锂电池相同的有益效果，使得通过本发明制备得出的微纳薄膜固态锂电池能够满足高电压、高能量密度、高功率密度的使用需求。

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，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。