[发明专利]一种3D结构的薄膜锂电池

说明书

本发明公开了一种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，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、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，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。

技术领域

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。

发明内容

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。