[发明专利]一种全固态厚膜锂电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全固态厚膜锂电池及其制备方法，该电池包括厚膜正极、薄膜电解质和厚膜负极三层核心层，其厚膜负极为双相锂合金或双相锂合金与三维导电材料形成的复合物。该电池制备方法包括以下步骤：先将正极浆料印刷在正极集流体上制备厚膜正极，再在厚膜正极上通过气相沉积方法制备电解质薄膜，最后通过熔融法制备厚膜负极，再覆盖上负极集流体，获得全固态厚膜锂电池。该电池具有较高的电极厚度、高的单体容量以及良好的循环稳定性和倍率性能。

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厚膜锂电池及其制备方法。

背景技术

全固态锂电池因不含任何有机电解液，可以从本质上解决现有基于液态电解质的锂离子电池面临的安全性隐患，因此业界一致认为全固态锂电池是下一代二次电池最有竞争力的候选者。除此之外，全固态锂电池还具有如下优点：能量密度高、循环性能好、使用寿命长以及倍率性能好等。但是时至今日，体型全固态锂电池还未能商业化，其面临的困难主要在于：固态电解质材料的离子电导率较低，与有机电解液的差距仍然很大；通过将正极、电解质、负极按顺序堆叠在一起，机械挤压后制备而成的体型全固态锂电池由于是固固接触，导致固态电解质和电极之间的界面阻抗大、界面相容性差。

体型全固态锂电池电芯容量想要达到甚至超过基于液态电解质的锂离子电池，其单位面积的容量至少达到3mAh/cm²，导致正负极极片的厚度较厚。对纯金属锂负极来说，在充放电过程中，负极的厚度变化达到15μm左右，导致电池体积出现明显变化。在多次反复充放电之后，纯金属锂负极与电解质的界面稳定性恶化，大幅度缩短电池寿命。

全固态薄膜锂电池是当今目前唯一一种能够商业化规模量产的全固态锂电池，是全固态锂电池的另一种存在形式，主要由正极薄膜、电解质薄膜和负极薄膜组成，具有可达万次的循环寿命、较好的倍率性能及极佳的安全性能。由于正极、电解质及负极均通过气相沉积方法成膜，全固态薄膜锂电池的每层薄膜结构致密、界面接触面积大且较为稳定，同时固态电解质膜厚度较薄，有利于克服其本征离子电导率低的缺点，因而全固态薄膜电池可以实现自放电率低、循环寿命长、倍率性能好和高低温性能突出等优点。

但是，全固态薄膜锂电池也存在明显的缺点：其一，由于正负极薄膜的厚度小，导致单体电池容量小，只能输出较低的功率及能量，一般在μW、μAh量级，除了微电子领域之外，在其他领域难以获得实际应用；其二，薄膜电池生产效率低、成本高，这主要体现在正极薄膜的制备上，不仅物理气相沉积法制备正极薄膜的生长速度缓慢、耗时长、成本高，而且所制备的正极薄膜大多需要高温退火处理，与用电器件的制造工艺兼容性差。因此，急需提高全固态薄膜锂电池的电极厚度和容量，开拓其应用范围，满足电动汽车等领域的需要。采用磁控溅射、脉冲激光沉积、电子束蒸发镀膜等薄膜制备技术原则上可以将正极厚度提高到10μm以上，一定程度上提高全固态薄膜电池的单体容量。但是由于正极材料的离子及电子导电率较低，正极薄膜活性材料的利用率随着正极厚度的增加，下降显著。因此，简单的增加正极薄膜的厚度，从科学原理上来讲，是无法从全固态薄膜锂电池演变为全固态厚膜锂电池，即体型全固态锂电池。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种全固态厚膜锂电池及其制备方法，以解决现有全固态薄膜锂电池单体电池容量低的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种全固态厚膜锂电池，该电池包括厚膜正极、薄膜电解质和厚膜负极三层核心层；其中，厚膜负极为双相锂合金或双相锂合金与三维导电材料形成的复合物。