[发明专利]制造单片全固态电池的方法

说明书

本发明涉及用于制造全固态电池的方法，所述电池包括至少一层包含阳极材料的致密层(“阳极层”)、至少一层包含固体电解质材料的致密层(“电解质层”)，以及至少一层包含阴极材料的致密层(“阴极层”)，以获得由多个基本单元的组装件构成的全固态电池。

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及锂离子电池。更具体地，本发明涉及全固态锂离子电池，以及用于制造此类电池的新颖方法。

背景技术

许多文章和专利中提出了制造锂离子电池的方式，并且在2002年发表(KlueverAcademic/Plenum Publishers)的作品“Advances in Lithium-Ion Batteries(锂离子电池的进展)”(ed.W.van Schalkwijk and B.Scrosati)提供了对这些制造方式的良好的评价。可以利用本领域技术人员所知的印刷或沉积技术(特别是辊涂、刮刀、流延)来生产锂离子电池的电极。这些技术使得生产厚度在50μm至400μm之间的沉积物成为可能。可以依靠沉积物的厚度、孔隙度和活性颗粒的尺寸对电池的功率和能量进行调整。

近来，出现了其他锂离子电池的结构。这些结构主要是全固态薄膜微电池。这些微电池具有平面结构，即，它们本质上由形成基本电池单元的三层的组装件构成：被电解质层隔开的阳极层和阴极层。这些电池被称为是“全固态”的，这是因为两个电极(阳极和阴极)和电解质由无孔固体材料制成。由于与传统的基于电解质的包括有溶解在非质子溶剂(液体电解质或胶体电解质)中的锂盐的电池的性能相比，这些电池具有更好的性能，因此它们具有重大的优势。不存在液体电解质的情况显著减少了电池中的内部短路和热失控的风险。

已经使用了不同的真空沉积技术来生产薄膜微电池。特别地，物理气相沉积(PVD)是目前生产这些薄膜微电池最常使用的技术。这项技术使得生产高品质的无孔电极层和无孔电解质层成为可能。这些层通常较薄(通常小于5μm)，从而不会导致与电极厚度的增加相关联的过多的功率损耗。

为了生产全固态电池，已经提出了若干方法。通常，这些方法仅仅基于电极材料粉末和电解质材料粉末的高压机械压制(Journal of Power Sources、2009、189、145-148H.Kitaura)。但是，所获得的电极层和电解质层是有孔的，并且电极层与电解质层之间的粘合并非最优，从而使所述电池的内部电阻过高，并且无法产生高功率。

已经使用许多烧结技术来改善全固态电池的性能，这些技术或使用热处理(Journal of Power Sources,2007,174,K.Nagata)，或使用脉冲电流(Material ResearchBulletin,2008,X.Xu)。然而，烧结会导致显著的收缩和/或对高温的使用。因此，不可能在导电金属衬底上(并且更具体地，在铝衬底上)执行全固态电极沉积。实际上，过高的温度会使金属衬底氧化或者显著劣化。此外，沉积在衬底上的层会导致在烧结期间出现裂痕。这些缺点要求集流体沉积在由阴极/电解质/阳极的堆叠而形成的电池单元的端部上。因此，与集流体的沉积相关联的约束无法使得无法生产由多个基本单元构成的全固态单片(monolithic)三维电池组装件。

因此，本发明旨在通过以下过程生产由多个基本单元构成单片机体的全固态单片锂离子电池：直接在充当电池集流体的衬底的两个表面上生产致密电极沉积物，并且在所获得的致密电极沉积物的至少一个上沉积全固态致密电解质层。

发明内容

本发明涉及用于生产全固态电池的方法，所述电池包括至少一层包含阳极材料的致密层(“阳极层”)、至少一层包含固体电解质材料的致密层(“电解质层”)、以及至少一层包含阴极材料的致密层(“阴极层”)，以获得由多个基本单元的组装件构成的全固态电池，所述方法包括以下步骤：

a)将致密阳极层和致密阴极层分别沉积在它们各自的导电衬底上，所述导电衬底分别能够充当阳极集流体和阴极集流体；

b)在从步骤a)中获得的两层的至少一层上沉积致密固体电解质层；