[发明专利]一种生产全固态薄膜锂电池的方法

说明书

本发明属于电池制造技术和真空镀膜技术领域，涉及一种生产全固态薄膜锂电池的方法和设备。本发明采用真空镀膜机在不暴露空气环境下，在基板上方制造单芯电池。电池结构采用N次重复的单芯电池堆垛单元，无需外加线路，结构上自然形成高电压薄膜锂电池，电池目前的实测稳定电压为6V‑100V；该电池在结构上分为两款：第一款是含有负极的高电压电池，第二款是无负极的高电压电池。本发明实现程序化往复镀膜，避免了暴露真空而导致薄膜受到空气污染，从而实现生产高电压薄膜锂电池制备的连续性和一致性。在生产过程中，各工序步骤可连续，无互扰，相对传统设备生产效率提高了30％以上。

技术领域

本发明属于电池制造技术和真空镀膜技术领域，涉及一种生产全固态薄膜锂电池的方法。

背景技术

传统锂离子电池一般基于液态有机电解质和隔膜，在使用寿命内存在安全隐患。采用固态电解质替代电解液，发展全固态锂离子电池是解决电池安全隐患的最优方案之一。全固态薄膜锂电池是全固态锂离子电池目前最具发展潜力的分支之一，单芯电池的主要薄膜层结构由在耐高温基片上形成的集流体、正极、电解质、负极、封装层构成，其电解质部分主要基于上世纪90年代初期橡树岭国家实验室Bates J B 等人开发的以掺杂氮元素磷酸锂薄膜(LiPON)。

目前单芯全固态薄膜锂电池制备方法主要采用真空镀膜法，该方法制作的薄膜层致密且具备较高纯度，在暴露真空条件下沉积多层薄膜。针对全固态薄膜锂电池的工艺流程建造的设备具有专用性。例如日本爱发科公司(Jimbo et al.,Energy Procedia 14(2012)1574-1579)和复旦大学(CN1747217A)采用串联式腔室结构制作单芯电池；群组工具的方法被美国应用材料公司(CN102576898，CN102037586A， CN103608958A)和法国ZI Sud公司(Martin et al.,Thin Solid Films 38-399(2001)572-574)采用制作单芯电池。这些电池制造设备结构较为复杂，电池成品一般为3-4V低电压的单芯电池，无法直接满足大多数电子产品和汽车动力电池需求(电压>6V)。另一方面，汽车动力电池、笔记本电池大多采用高电压锂离子电池组，其电池组往往由单芯电池通过复杂的外电路串并联结构形成。如何实现电池内部无引线的串并联结构，简化生产过程并减少原材料的使用，是长期困扰锂电池行业的难题。

发明内容

本发明针对现有薄膜锂电池制造方法只能制备低电压电池的不足，以及移动电源行业对高电压电池使用的需求，提出一种生产高电压全固态薄膜锂电池的方法和设备。

本发明的技术解决方案是，采用真空镀膜机在不暴露空气环境下，在基板上方制造单芯电池，沉积的方式为如下之一，(一)依次在基板上沉积集流体、正极、电解质、负极单芯电池，根据所要求电池产品的电压值，在单芯电池上方重复沉积多个集流体、正极、电解质、负极单芯电池，(二)依次在基板上沉积集流体、正极、电解质单芯电池，根据所要求电池产品的电压值，在单芯电池上重复沉积多个集流体、正极、电解质单芯电池，镀膜步骤是：

1)首先制造生产全固态薄膜锂电池的设备，设备包含五个腔室和一台控制计算机，其中二个腔室为真空镀膜腔室，另外三个分别为真空退火腔室、电池封装腔室和样品传递腔室；真空镀膜腔室、真空退火腔室及电池封装腔室均通过真空阀门与样品传递腔室连接，电池封装腔室由无水、无氧及惰性气氛保护，样品传递腔室为真空环境，样品传递腔室中设置有真空机械手或真空机器人作为传递系统；

2)生产电池，其过程由计算机控制，控制过程为如下之一：

过程一是，

步骤一，在第一真空镀膜腔室内，进行基片表面处理、正极集流体的掩膜镀膜和正极的掩膜镀膜；根据正极材料的属性确定下一个步骤，当正极材料需要进行退火处理时，进入步骤二，当正极材料不需要进行退火处理时，直接进入步骤三；