全固态电池

技术领域

本公开涉及一种全固态电池。

背景技术

最近，使用电作为能源的装置已经增多。随着使用电的装置(诸如智能手机、摄像机、笔记本PC和电动汽车)的扩展，对使用电化学装置的蓄电装置的关注正在增加。在各种电化学装置中，能够充电和放电、具有高工作电压和极高能量密度的锂二次电池成为焦点。

锂二次电池通过将能够嵌入和脱嵌锂离子的材料应用于正极和负极，并在正极和负极之间注入液体电解质来制造，并且通过根据负极和正极中的锂离子的嵌入和脱嵌的氧化还原反应来产生或消耗电。这样的锂二次电池在电池的工作电压范围内可以是基本稳定的，并且可具有能够以足够高的速率传输离子的性能。

当在这样的锂二次电池中使用液体电解质(诸如非水性电解质)时，存在放电容量高和能量密度高的优点。然而，锂二次电池具有难以利用其实现高电压的问题，并且存在电解质泄漏、火灾和爆炸的高风险。

为了解决上述问题，已经提出应用固体电解质而不是液体电解质的二次电池作为替代方案。固体电解质可分为聚合物基固体电解质和陶瓷基固体电解质，并且在它们之中，陶瓷基固体电解质具有高稳定性的优点。然而，使用陶瓷基固体电解质的电池存在如下问题：在烧结工艺期间由于烧结收缩的差异而导致内部应力残留，并且在重复充电和放电的过程中由于重复的收缩和膨胀而导致电池自身的机械强度降低。

发明内容

技术问题

本公开的一方面在于提供一种具有结构稳定性的全固态电池。

本公开的一方面在于提供一种具有改善的机械强度的全固态电池。

本公开的一方面在于提供一种具有改善的长期可靠性的全固态电池。

问题的解决方案

根据本公开的一方面，一种全固态电池包括：第一电池单元，在所述第一电池单元中，包括负极引出部的负极集流体、第一负极层、第一固体电解质层和第一正极层在第三方向上顺序堆叠，所述负极引出部在第一方向上引出，所述第三方向与所述第一方向不同；第二电池单元，在所述第二电池单元中，第二正极层、第二固体电解质层和第二负极层在所述第三方向上顺序堆叠；第三电池单元，在所述第三电池单元中，第三负极层、第三固体电解质层、第三正极层和包括正极引出部的正极集流体在所述第三方向上顺序堆叠，所述正极引出部在与在所述第一方向上引出的所述负极引出部相反的方向上引出；第一连接电极，连接到所述第一正极层和所述第二负极层；以及第二连接电极，连接到所述第二正极层和所述第三负极层。Te第一电池单元、所述第二电池单元和所述第三电池单元在所述第一方向上彼此间隔开。

发明的有益效果

如上所述，根据实施例，可提供具有结构稳定性的全固态电池。

全固态电池可具有改善的机械强度。

可提供具有改善的长期可靠性的全固态电池。

附图说明

通过结合附图的以下具体实施方式，本发明构思的以上和其他方面、特征及优点将被更清楚地理解，在附图中：

图1是示意性地示出根据本公开的实施例的全固态电池的立体图；

图2是示意性地示出图1的电池主体的截面图；

图3是示出根据本公开的实施例的电池单元的结构的示例的立体图；

图4是示出根据本公开的实施例的电池单元的结构的示例的立体图；

图5是示出根据本公开的实施例的电池单元的形式的示例的截面图；以及

图6是示意性地示出根据本公开的实施例的全固态电池的立体图。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同方案对于本领域普通技术人员将是易于理解的。在此描述的操作顺序仅仅是示例，并且不局限于在此阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出如对本领域普通技术人员将是易于理解的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略对于本领域普通技术人员而言将是公知的功能和构造的描述。

在此描述的特征可以以不同的形式实施，并且将不被解释为局限于在此描述的示例。更确切地说，已经提供在此描述的示例使得本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域普通技术人员充分地传达本公开的范围。

在此，注意的是，关于实施例或示例的术语“可”的使用(例如，关于实施例或示例可包括或实现什么)意味着存在包括或实现这样的特征的至少一个实施例或示例，但不限于所有示例和示例包括或实现这样的特征。

在整个说明书，当诸如层、区域或基板等的要素被描述为“在”另一要素“上”、“连接到”另一要素或“结合到”另一要素时，该要素可直接“在”另一要素“上”、直接“连接到”另一要素或直接“结合到”另一要素，或者可存在介于它们之间的一个或更多个其他要素。相比之下，当要素被描述为“直接在”另一要素“上”、“直接连接到”另一要素或“直接结合到”另一要素时，可能不存在介于它们之间的其他要素。

如在此使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的任意一个和任意两个或更多个的任意组合。

尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不受这些术语的限制。更确切地说，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。

为了易于描述，在此可使用诸如“上方”、“上面”、“下方”以及“下面”的空间相对术语来描述如附图中所示的一个要素与另一要素的关系。这样的空间相对术语意在除了包含附图中描绘的方位之外还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则描述为相对于另一要素位于“上方”或“上面”的要素于是将相对于另一要素位于“下方”或“下面”。因此，术语“上方”根据装置的空间方位包括“上方”和“下方”两种方位。装置也可以以其他方式(例如，旋转90度或处于其他方位)定位，并且将相应地解释在此使用的空间相对术语。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并且不用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式也意图包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”列举存在所陈述的特征、数量、操作、构件、要素和/或它们的组合，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、要素和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可能出现附图中所示的形状的改变。因此，在此描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间发生的形状的改变。

在此描述的示例的特征可按照在获得对本申请的公开内容的理解之后将易于理解的各种方式进行组合。此外，尽管在此描述的示例具有各种构造，但是在获得对本申请的公开内容的理解之后将易于理解的其他构造也是可行的。

附图可不按照比例绘制，并且为了清楚、说明及便利起见，可夸大附图中的要素的相对尺寸、比例和描绘。

在本说明书中，诸如“A和/或B”、“A和B中的至少一个”或“A和B中的一个或更多个”的表述可包括如下全部情况：(1)包括至少一个A；(2)包括至少一个B；或者(3)包括至少一个A和至少一个B两者。

在本说明书中，“竖直”、“水平”和/或“平行”不仅意味着严格意义上的90°和/或0°，而是可意味着包括误差。例如，误差可意味着±5°或更小。

在附图中，X方向可被定义为第一方向、L方向或长度方向，Y方向可被定义为第二方向、W方向或宽度方向，并且Z方向可被定义为第三方向、T方向或厚度方向。

提供根据实施例的全固态电池100。图1至图4是示意性地示出根据本公开的实施例的全固态电池100的图。参照图1至图4，根据实施例的全固态电池100可包括：第一电池单元，在第一电池单元中，包括负极引出部131b的负极集流体131、第一负极层121、第一固体电解质层111和第一正极层122在第三方向Z上顺序堆叠，负极引出部131b在第一方向X上引出，第三方向Z垂直于第一方向X；第二电池单元，在第二电池单元中，第二正极层122、第二固体电解质层111和第二负极层121在第三方向Z上顺序堆叠；第三电池单元，在第三电池单元中，第三负极层121、第三固体电解质层111、第三正极层122和包括正极引出部132b的正极集流体132在第三方向Z上顺序堆叠，正极引出部132b在与在第一方向X上引出的负极引出部131b相反的方向上引出；第一连接电极133，连接到第一正极层122和第二负极层121；以及第二连接电极134，连接到第二正极层122和第三负极层121。

在这种情况下，第一电池单元、第二电池单元和第三电池单元可设置为在第一方向X上彼此间隔开。在一个示例中，参照图6，绝缘膜145可设置在第一电池单元和第二电池单元之间，并且绝缘膜146可设置在第二电池单元和第三电池单元之间。现有技术的全固态电池使用其中板状电极形成为彼此面对的结构。为了在上述结构中实现高容量电池，需要增加板状电极的堆叠数量。然而，正极层、负极层和固体电解质层分别包含彼此不同的材料。因此，在这种情况下，由于在烧结工艺期间收缩行为上的差异而产生内部应力，或者在制造后的电池使用期间，由于充电和放电导致的高/低温循环而导致重复膨胀和收缩，因此产品暴露于持续的机械应力。因此，存在产品中出现裂纹等的问题。此外，在根据本公开的实施例的全固态电池的情况下，可在不增加堆叠的层数的情况下增加容量，并且可通过减少堆叠的层数来简化制造工艺。另外，通过具有相对少的堆叠层数的结构来降低不同材料之间的接触不良的可能性，可改善长期可靠性。

根据本公开的实施例的全固态电池100的第一电池单元可具有如下结构：包括负极引出部131b的负极集流体131、第一负极层121、第一固体电解质层111和第一正极层122在第三方向Z上顺序堆叠，第三方向Z垂直于第一方向X。更详细地，在第一电池单元中，负极集流体131、第一负极层121、第一固体电解质层111和第一正极层122可在3-2方向上顺序堆叠。负极引出部131b可通过负极集流体131(或131a)延伸而形成。例如，负极引出部131b可设置为在1-2方向上突出。

在示例中，根据本公开的实施例的全固态电池的负极集流体131的平均长度可大于第一固体电解质层111的平均长度。在本说明书中，构件的“长度”可意味着构件的在平行于第一方向X的方向上测量的距离。另外，“平均长度”可意味着构件的相对于通过在垂直于Y轴的方向上将全固态电池分为四等份而提供的三个切割表面(X-Z平面)的最大长度的算术平均值。负极集流体131的平均长度可比第一固体电解质层111的平均长度至少大出负极集流体131的负极引出部131b的长度。负极引出部131b可用作根据本公开的实施例的全固态电池的负极端子。

作为负极集流体131，可使用诸如网状的多孔体，并且可使用包括导电金属(诸如不锈钢、镍、铜、锡或铝)的多孔金属板，但负极集流体131不限于此。另外，负极集流体131可涂覆有抗氧化金属膜或抗氧化合金膜以防止氧化。

根据本公开的实施例的全固态电池100中包括的负极层121可包括已知可用作负极活性材料的成分。碳基材料、硅、氧化硅、硅基合金、硅-碳基材料复合物、锡、锡基合金、锡-碳复合物、金属氧化物或它们的组合可用作负极活性材料，并且可包括锂金属和/或锂金属合金。

锂金属合金可包括锂以及能够与锂合金化的金属/准金属。例如，能够与锂合金化的金属/准金属可以是Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb、Si-Y合金(其中Y是碱金属、碱土金属、第13族至第16族元素、过渡金属、稀土元素或它们的组合元素，并且不包含Si)、Sn-Y合金(其中Y是碱金属、碱土金属、第13族至第16族元素、过渡金属、过渡金属氧化物(诸如锂钛氧化物(Li

另外，可与锂合金化的金属/准金属的氧化物可以是锂钛氧化物、钒氧化物、锂钒氧化物、SnO

碳基材料可以是结晶碳、非晶碳或它们的混合物。结晶碳可以是石墨(诸如无定形、板状、片状、球形或纤维状的天然石墨或人造石墨)。另外，非晶碳可以是软碳(低温焙烧碳)或硬碳、中间相沥青碳化物、焙烧焦炭、石墨烯、炭黑、富勒烯烟灰、碳纳米管、碳纤维等，但不限于此。

硅可从由Si、SiO

根据本公开的实施例的全固态电池100的负极活性材料可选择性地包括导电剂和粘合剂。导电剂没有特别限制，只要其在本公开的全固态电池中具有导电性而不导致化学变化即可。例如，石墨(诸如天然石墨和人造石墨)；碳基物质(诸如炭黑、乙炔炭黑、科琴炭黑、槽法炭黑、炉法炭黑、灯法炭黑和热裂炭黑)；导电纤维(诸如碳纤维和金属纤维)；氟化碳；金属粉末(诸如铝粉末和镍粉末)；导电晶须(诸如氧化锌和钛酸钾)；导电金属氧化物(诸如氧化钛)；导电材料(诸如聚亚苯基衍生物)。

粘合剂可用于改善活性材料和导电剂等之间的结合强度。粘合剂可以是聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶、氟橡胶和各种共聚物，但不限于此。

根据本公开的实施例的全固态电池100的固体电解质层111可以是从由石榴石型、Nasicon型、LISICON型、钙钛矿型和LiPON型组成的组中选择的至少一种。

石榴石型固体电解质可指由Li

另外，LISICON基固体电解质可指：固溶体氧化物，由xLi

钙钛矿基固体电解质可指由Li

第一正极层122的正极活性材料可以是例如由以下化学式表示的化合物：Li

正极活性材料也可以是LiCoO

根据本公开的实施例的全固态电池100的正极活性材料可选择性地包括导电材料和粘合剂。导电剂没有特别限制，只要其在根据实施例的全固态电池100中具有导电性而不导致化学变化即可。例如，石墨(诸如天然石墨和人造石墨)；碳基物质(诸如炭黑、乙炔炭黑、科琴炭黑、槽法炭黑、炉法炭黑、灯法炭黑和热裂炭黑)；导电纤维(诸如碳纤维和金属纤维)；氟化碳；金属粉末(诸如铝粉末和镍粉末)；导电晶须(诸如氧化锌和钛酸钾)；导电金属氧化物(诸如氧化钛)；导电材料(诸如聚亚苯基衍生物)。

粘合剂可用于改善活性材料和导电剂等之间的结合强度。粘合剂可以是聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶、氟橡胶和各种共聚物，但不限于此。

在根据本公开的实施例的全固态电池100的第二电池单元中，第二正极层122、第二固体电解质层111和第二负极层121可在第三方向Z上顺序堆叠。例如，第二正极层122、第二固体电解质层111和第二负极层121可在3-2方向上顺序堆叠。正极层、固体电解质层和负极层的描述与第一电池单元的正极层、固体电解质层和负极层的描述相同，因此将省略它们的描述。

在根据本公开的实施例的全固态电池100的第三电池单元中，第三负极层121、第三固体电解质层111、第三正极层122和正极集流体132可在第三方向Z上顺序堆叠。第三负极层121、第三固体电解质层111、第三正极层122和正极集流体132可在3-2方向Z上顺序堆叠。例如，正极引出部132b可设置为在1-1方向上突出。负极层、固体电解质层和正极层的描述与第一电池单元的负极层、固体电解质层和正极层的描述相同，因此将省略它们的描述。

在示例中，根据本公开的实施例的全固态电池100的正极集流体132的平均长度可大于第三固体电解质层111的平均长度。正极集流体132的平均长度可比第三固体电解质层111的平均长度至少大出正极集流体132的正极引出部132b的长度。正极引出部132b可用作根据本公开的实施例的全固态电池的正极端子。

正极集流体132可包括与上述负极集流体131的构造相同的构造。可使用诸如网状的多孔体作为正极集流体132，并且可使用包括导电金属(诸如不锈钢、镍、铜、锡或铝)的多孔金属板作为正极集流体132，但正极集流体132的构造不限于此。另外，正极集流体132可涂覆有抗氧化金属膜或抗氧化合金膜以防止氧化。

根据实施例的全固态电池100可包括连接到第一正极层122和第二负极层121的第一连接电极133以及连接到第二正极层122和第三负极层121的第二连接电极134。

第一连接电极133可在第三方向Z上设置在第一正极层122的一个表面和第二负极层121的一个表面上。详细地，第一连接电极133可在3-2方向上设置在第一正极层122和第二负极层121上。第一连接电极133可设置为在3-2方向上覆盖第一正极层122的表面的至少一部分以及第二负极层121的表面的至少一部分。在本说明书中，第一构件设置为“覆盖”第二构件可表示第一构件设置为使得第二构件的被第一构件覆盖的部分不暴露在外部，并且可表示第二构件被第一构件遮挡，使得第二构件在垂直于两个构件的堆叠方向的一个方向上不可见。

第一连接电极133可用于连接第一电池单元和第二电池单元。可通过第一连接电极133提供诸如将第一电池单元的第一正极层122与第二电池单元的第二负极层121之间连接的结构。因此，第一电池单元和第二电池单元可具有串联连接结构，并且可在不增加堆叠的层数的情况下有效地增加容量。在本说明书中，“串联”可意味着不同极性的端子连接的状态，并且可意味着相同的电流流动的状态。另外，在本说明书中，“并联”可意味着相同极性的端子连接的状态，并且可意味着它们不彼此串联连接。

第二连接电极134可在第三方向Z上设置在第二正极层122的一个表面和第三负极层121的一个表面上。详细地，第二连接电极134可在3-1方向上设置在第二正极层122和第三负极层121上。第二连接电极134可设置为在3-1方向上覆盖第二正极层122的表面的至少一部分以及第三负极层121的表面的至少一部分。第二连接电极134可用于连接第二电池单元和第三电池单元。可通过第二连接电极134提供诸如将第二电池单元的第二正极层122与第三电池单元的第三负极层121之间连接的结构。因此，第二电池单元和第三电池单元可具有串联连接结构，并且可在不增加堆叠的层数的情况下有效地增加容量。

形成第一连接电极133和第二连接电极134的方法没有特别限制，并且可使用包括例如银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、铜(Cu)、锡(Sn)、钨(W)、钛(Ti)和它们的合金中的至少一种导电金属的导电膏来执行。可选地，第一连接电极133和第二连接电极134可使用包括导电金属的金属板形成，但形成方法不限于此。

根据本公开的实施例的全固态电池100还可包括第四固体电解质层111'，第四固体电解质层111'作为连接到负极集流体131和第二连接电极134的连接固体电解质层。第四固体电解质层111'可用作支撑根据本公开的实施例的全固态电池100的第一电池单元、第二电池单元和第三电池单元的基板。

在示例中，全固态电池100的第四固体电解质层111'可设置为在第三方向Z上覆盖负极集流体131的一个表面的至少一部分以及第二连接电极134的一个表面的至少一部分。

在本公开的示例中，根据实施例的全固态电池100还可包括模制部140，模制部140设置为围绕第一电池单元、第二电池单元和第三电池单元。模制部140可在第一方向和第二方向上设置在第一电池单元、第二电池单元和第三电池单元上。

在本公开的实施例中，全固态电池100的第一连接电极133和正极集流体131可设置为暴露于模制部140的在第三方向上的一个表面。详细地，第一连接电极133和正极集流体131可在3-2方向上引出至模制部140。

在另一实施例中，全固态电池100的负极集流体131可引出至模制部140的在第一方向X上的一个表面，并且正极集流体132可引出至模制部140的在第一方向X上的另一表面。详细地，负极集流体131可在1-2方向上引出至模制部140，并且正极集流体132可在1-1方向上引出至模制部140。负极集流体131的在1-2方向上引出至模制部140的区域可以是负极引出部131b，并且正极集流体132的在1-1方向上引出至模制部140的区域可以是正极引出部132b。负极引出部131b和正极引出部132b可分别用作负极端子和正极端子。

模制部140可包括陶瓷材料，例如，氧化铝(Al

在另一示例中，根据本公开的实施例的全固态电池的模制部140可包括绝缘树脂。绝缘树脂可以是例如热固性树脂，并且热固性树脂可指可通过适当的施加热或通过老化工艺而固化的树脂。热固性树脂的具体示例可包括酚醛树脂、脲醛树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂、三聚氰胺树脂、胍胺树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、氨基醇酸树脂、三聚氰胺-尿素共缩合树脂、硅树脂、聚硅氧烷树脂等，但不限于此。当使用热固性树脂时，还可根据需要添加并使用交联剂、固化剂(诸如聚合引发剂)、聚合促进剂、溶剂、粘度调节剂等。模制部140可通过将诸如环氧模塑料(EMC)的树脂传递模塑以围绕多个电池单元来形成，但形成方法不限于此。

图5是示出根据本公开的另一实施例的电池单元的形式的示例的截面图。参照图1至图4中所示的全固态电池100，图5中所示的全固态电池10另外包括堆叠在图1至图4中所示的全固态电池100上的另一单元。即，与图1至图4中所示的全固态电池100类似，一个或更多个单元可彼此堆叠以增加全固态电池10的容量。其他描述可参考参照图1至图4描述的内容，因此将被省略。

虽然本公开包括具体示例，但是对于本领域普通技术人员将易于理解的是，在不脱离权利要求及它们的等同方案的精神和范围的情况下，可对这些示例做出形式和细节上的各种改变。这里描述的示例将仅被认为描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其他示例中的类似的特征或方面。如果执行描述的技术以具有不同的顺序，和/或如果以不同的方式来组合所描述的系统、架构、装置或电路中的组件，和/或由其他组件或它们的等同方案来替换或增添所描述的系统、架构、装置或电路中的组件，则可实现合适的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及它们的等同方案限定，并且在权利要求及它们的等同方案的范围内的全部变型将被理解为包括在本公开中。