[发明专利]一种全固态薄膜锂电池正极薄膜的制造方法及锂电池

说明书

本发明公开了一种全固态薄膜锂电池正极薄膜的制造方法及锂电池，方法包含：步骤1，制备富氧正极薄膜，并退火晶化；步骤2，在步骤1制备的富氧正极薄膜的表面，制备高活性正极薄膜并退火；其中，所述制备方法的退火温度不大于500℃。本发明是先制备了热力学状态更稳定的底层，也就是富氧层结构，再在其表面制备动力学传导更好的上层，也就是高活性结构。本发明的方法可以在不大于500℃的温度条件下，实现全固态薄膜锂电池正极薄膜的晶化。

技术领域

本发明涉及全固态锂电池技术领域，具体涉及一种全固态薄膜锂电池正极薄膜的制造方法及锂电池。

背景技术

夜视装备、即时通信、导航系统等装备，使人们随身携带的电池越来越重，这些优化人们生活的工具反而限制人们的机动能力；另外，现在电源均为刚性电池，轮廓明显，携带不便，十分影响人们动作的自由度；同时，设备的全天候使用需求越来越普遍，设备很难有时间进行补充充电。因此，将储能器件、能量收集器件一体与人们的服装、护具和携行具融合一体的一体化电源是未来重要的电源技术方向。

全固态薄膜锂电池被认为是与器件一体化最佳的储能电池体系，因其在高真空条件下制备而成，整体结构可耐受100℃以上的温度而没有明显的性能变化，柔性好，能量密度高，结构超薄，可以跟几乎所有的器件进行一体化制备。然而，全固态薄膜锂电池当前采用的正极需要退火晶化产生离子通道，从而能发挥出优良的性能，退火温度往往超过500℃，这个温度超越了大多数器件可以承受的温度，导致储能器件和使用器件一体化的技术迟迟没有出现。查阅现有专利或论文，可以发现，物理法制备的全固态薄膜锂电池正极，退火工艺方面的研究还很少有人关注，大多数研究机构主要依据正极粉末晶化温度、正极材料本征反应特性和实验经验开展全固态薄膜锂电池的研制实验。例如电子科技大学向勇老师课题组的专利：一种锂电池正极结构、全固态薄膜锂电池结构，(申请号202010312914.7)，制备的LiCoO₂(LCO)正极薄膜进行500℃退火处理，放电效率只有73.8％，引入Li_0.33La_0.56TiO₃(LLTO)作为电子导电层才能更好的发挥出性能；中国电子科技集团公司第十八研究所在2019年《电源技术》杂志第43卷8期1250-1252页上发表论文，采用射频磁控溅射法制备LCO正极薄膜，在氧气流通的管式炉内升温至700℃并恒温30min成功制备高温相LCO薄膜。

虽然这些实例都展现出全固态薄膜锂电池优异的性能，但也证明全固态薄膜锂电池应用于一体化电源方面存在明显差距。目前，受限于基础认识和工艺方法，适用于一体化应用的全固态薄膜锂电池的正极薄膜制备工艺尚不成熟，表现在：

1、高比能的锂电池体系中，新型正极材料都含锂或者极易吸水，靶材难以制备，导致全固态薄膜锂电池正极的开发技术水平和材料体系可选择性严重受限；

2、全固态薄膜锂电池正极导电性差，大部分可规模化的物理法沉积出来的薄膜都是无定形的，难以直接实现储能应用；

3、全固态薄膜锂电池正极晶体结构中要有锂离子通道，而在晶化过程中晶体结构必然存在体积变化，导致传输通道断绝，使性能难以充分发挥。

开发降低全固态薄膜锂电池正极薄膜退火温度的方法是推动发电储能一体化技术的关键。

发明内容

本发明针对全固态薄膜锂电池正极薄膜退火温度不小于500℃导致其与器件难以一体成型的问题，提供一种降低全固态薄膜锂电池正极薄膜退火温度的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种全固态薄膜锂电池正极薄膜的制造方法，其包含：步骤1，制备富氧正极薄膜，并退火晶化；步骤2，在步骤1制备的富氧正极薄膜的表面，制备高活性正极薄膜并退火；其中，所述制备方法的退火温度不大于500℃。

较佳地，采用磁控溅射法制备所述的富氧正极薄膜和所述高活性正极薄膜。

较佳地，制备所述富氧正极薄膜和所述高活性正极薄膜的靶材相同。