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，使用电力作为能源的装置正在增加。随着使用电力的装置(诸如智能手机、便携式摄像机、笔记本个人电脑(notebook PC)和电动车辆)的应用领域扩张，对使用电化学器件的蓄电装置的关注正在增加。在各种电化学器件中，能够充电和放电、具有高工作电压并且具有非常高能量密度的锂二次电池成为焦点。

可通过将能够嵌入和脱嵌锂离子的材料应用于阳极和阴极中，并在阴极和阳极之间注入液体电解质，来制造锂二次电池。电力通过在阳极和阴极中嵌入和脱嵌导致的锂离子的氧化还原反应来产生或消耗。这样的锂二次电池需要在电池的工作电压范围内需要是基本稳定的，并且应该具有能够以足够高的速率传输离子的性能。

当针对这样的锂二次电池中使用液体电解质(诸如非水电解质)时，锂二次电池具有放电容量高和能量密度高的优势。然而，锂二次电池具有难以实现高电压以及在电解质泄漏、火灾和爆炸方面的风险高的问题。

为了解决上述问题，已经提出应用固体电解质代替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或陶瓷基固体电解质，其中，陶瓷基固体电解质有利于表现出高稳定性。已经进行了将这种陶瓷基固体电解质电池应用于各种领域的研究，并且对满足机械可靠性并具有足够容量的固体电解质电池的需求正在增加。

发明内容

技术问题

本公开的一方面可提供一种具有优异机械可靠性的全固态电池。

本公开的另一方面可提供一种能够小型化并确保足够容量的全固态电池。

本公开的另一方面可提供一种具有改善的安装自由度的全固态电池。

技术方案

根据本公开的一方面，一种全固态电池可包括：电池主体，具有在所述电池主体的第一方向上彼此相对的第一表面和第二表面、在所述电池主体的第二方向上彼此相对的第三表面和第四表面以及在所述电池主体的第三方向上彼此相对的第五表面和第六表面，并且所述电池主体包括固体电解质层、阴极层和阳极层、阴极穿透电极和阳极穿透电极，所述阴极层和所述阳极层在所述第三方向上堆叠且所述固体电解质层介于所述阴极层和所述阳极层之间，所述阴极穿透电极穿透所述电池主体并连接所述阴极层，所述阳极穿透电极穿透所述电池主体、连接所述阳极层并且在所述第二方向上与所述阴极穿透电极相对；阴极端子，连接到所述阴极穿透电极；以及阳极端子，连接到所述阳极穿透电极。所述阴极层在所述第二方向上从所述阴极层的边沿到所述第三表面的平均裕度可在所述电池主体在所述第二方向上的平均宽度的15％或更大至30％或更小的范围内。

根据本公开的一方面，一种全固态电池可包括：电池主体，具有在所述电池主体的第一方向上彼此相对的第一表面和第二表面、在所述电池主体的第二方向上彼此相对的第三表面和第四表面以及在所述电池主体的第三方向上彼此相对的第五表面和第六表面，并且所述电池主体包括固体电解质层、阴极层和阳极层、阴极穿透电极和阳极穿透电极，所述阴极层和所述阳极层在所述第三方向上堆叠且所述固体电解质层介于所述阴极层和所述阳极层之间，所述阴极穿透电极穿透所述电池主体并连接所述阴极层，所述阳极穿透电极穿透所述电池主体、连接所述阳极层并在所述第二方向上与所述阴极穿透电极相对；阴极端子，连接到所述阴极穿透电极；以及阳极端子，连接到所述阳极穿透电极。所述阴极层在所述第一方向上从所述阴极层的边沿到所述第一表面或所述第二表面的平均裕度可在所述电池主体在所述第一方向上的平均长度的5％或更大至10％或更小的范围内。

发明的有益效果

如上所述，根据本公开的示例性实施例，可改善全固态电池的机械可靠性。

根据本公开的示例性实施例，可同时满足全固态电池的小型化和全固态电池具有足够容量。

根据本公开的示例性实施例，可改善全固态电池的安装自由度。

附图说明

图1是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池的示意性立体图；

图2是图1的仰视图；

图3是沿图1的线I-I’截取的截面图；

图4是示出根据本公开的示例性实施例的多层陶瓷电子组件的阴极层的示意性平面图；

图5是示出根据本公开的示例性实施例的多层陶瓷电子组件的阳极层的示意性平面图；

图6是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池的修改示例的示意性仰视图；

图7是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池的修改示例的示意性立体图；

图8是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池的修改示例的示意性立体图；以及

图9是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池的修改示例的立体图。

具体实施方式

通过结合附图以及以下具体实施方式，本公开的以上和其他方面、特征及优点将被更清楚地理解。

在下文中，现将参照附图详细描述本公开的示例性实施例。

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

本公开涉及全固态电池100。图1至图5是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池100的示意图。参照图1至图5，根据本公开的全固态电池100可包括电池主体110、阴极端子131和阳极端子132，电池主体110具有在第一方向(X方向)上彼此相对的第一表面S1和第二表面S2、在第二方向(Y方向)上彼此相对的第三表面S3和第四表面S4以及在第三方向(Z方向)上彼此相对的第五表面S5和第六表面S6，并且电池主体110包括固体电解质层111、多个阴极层121和多个阳极层122、阴极穿透电极141和阳极穿透电极142，多个阴极层121和多个阳极层122在第三方向(Z方向)上堆叠且固体电解质层111介于其间，阴极穿透电极141连接多个阴极层121，阳极穿透电极142连接多个阳极层122，阴极端子131连接到阴极穿透电极141，阳极端子132连接到阳极穿透电极142。

在这方面，阴极层121在第二方向上的平均裕度a可在电池主体110在第二方向上的平均宽度A的15％或更大至30％或更小的范围内。图4和图5示意性地示出根据本公开的全固态电池100的阴极层121和阳极层122。如图4和图5所示，根据本公开的全固态电池100的阴极层121可在第二方向上具有平均裕度a，并且电池主体110可在第二方向上具有平均宽度A。

与现有技术的二次电池相比，全固态电池可具有优异的稳定性和高的充电/放电速度，但是具有电极和电解质层之间的界面电阻高并且难以确保足够的容量的问题。为了解决这些问题，开发了多层型全固态电池，但是通常使用外部端子电极形成在电池主体的头部表面上的结构，像现有技术的无源部分那样。在这种情况下，存在以下问题：在电池主体和外部端子电极之间可能出现间隙，或者电阻可能由于形状不均匀而增加，并且电池相对于其体积的容量由于外部端子电极的突出而减小。在本公开的上述示例性实施例中，暴露于外部的电极被最小化，从而在增加全固态电池的机械强度的同时保持低电阻，并且不在头部表面上设置单独的外部端子电极，从而使部件本身小型化。

根据本公开的全固态电池100的主体110包括固体电解质层111、阴极层121、阳极层122、阴极穿透电极141和阳极穿透电极142。

在本公开的示例性实施例中，根据本公开的固体电解质层111可以是从石榴石型、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

此外，LISICON型固体电解质可指由xLi

此外，钙钛矿型固体电解质可指由Li

在示例中，根据本公开的全固态电池100的阴极层121可包括阴极活性材料和导电材料。例如，根据本公开的全固态电池100的阴极层121可以是其中混合并设置有阴极活性材料和导电材料的集成阴极层121。

阴极活性材料可以是例如由下式表示的化合物：Li

阴极活性材料也可以是LiCoO

导电材料没有特别限制，只要其具有导电性而不会在本公开的全固态电池100中引起化学变化即可。例如，导电材料诸如：石墨(诸如天然石墨、人造石墨等)；碳型材料，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等；导电纤维，诸如碳纤维、金属纤维等；氟化碳；金属成分，诸如锂(Li)、锡(Sn)、铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)等，它们的氧化物、氮化物或氟化物；导电晶须，诸如氧化锌、钛酸钾等；导电金属氧化物，诸如氧化钛等；聚亚苯基衍生物等。

在本公开的示例中，全固态电池100的阴极层121还可包括固体电解质成分。固体电解质成分可使用上述成分中的一种或更多种，并且可用作阴极层121中的离子传导通道，因此可降低界面电阻。

在本公开的示例性实施例中，根据本公开的阴极层121在第二方向上的平均裕度a可满足主体在第二方向(Y方向)上的平均宽度A的15％或更大至30％或更小的范围。在本说明书中，构件的“宽度”可指在平行于第二方向的方向上测量的距离，并且构件的“长度”可指在平行于第一方向的方向上测量的距离。此外，“平均宽度”可指相对于在穿过全固态电池的中央同时垂直于X轴的方向上切割的切割面(YZ平面)，在构件的第三方向上分成10个等间隔的点处测量的宽度的算术平均值，“平均长度”可指相对于在穿过全固态电池的中央同时垂直于Y轴的方向上切割的切割面(XZ平面)，在构件的第三方向上分成10个等间隔的点处测量的宽度的算术平均值。此外，平均裕度可以是在阴极层/阳极层的最接近测量平均宽度和/或平均长度的10个点的10个点处测量的值的算术平均值。

当阴极层121、固体电解质层111和阳极层122堆叠并烧结时，可能存在由于包含金属成分和活性材料的电极层与固体电解质层111之间的低粘附性而导致完成的电池的强度降低的问题。特别地，随着电池的尺寸变小，固体电解质层通过边缘部分彼此结合的面积减小，并且电池本身的机械可靠性可能降低。在根据本公开的全固态电池100的情况下，当阴极层121在第二方向上的平均裕度a满足上述范围时，可确保设置在阴极层121上方和下方的固体电解质层111之间的粘合面积足够大，从而提高全固态电池100的机械强度。

在示例中，根据本公开的全固态电池100的阴极层121在第一方向上的平均裕度b可在电池主体110在第一方向上的平均长度B的5％或更大至10％或更小的范围内。阴极层121在第一方向上的平均裕度b可用于以与上述第二方向上的平均裕度相同的方式在设置在阴极层121上方和下方的固体电解质层之间提供粘合性。当阴极层121在第一方向上的平均裕度b满足上述范围时，可提供具有优异机械可靠性的全固态电池。

形成阴极层121的方法没有特别限制，但是，例如，阴极层121可通过以下方式制备：将上述阴极活性材料、导电材料(如果需要，另外包括固体电解质层)和粘合剂等混合，形成浆料，将浆料流延在单独的支撑件上，然后固化浆料。也就是说，根据本公开的阴极层121可具有其中未设置单独的阴极集流体并且阴极活性材料和导电材料(和固体电解质)可混合在一层中并设置的结构。

粘合剂可用于提高活性材料与导电材料的结合强度。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、各种共聚物等，但不限于此。

根据本公开的全固态电池100的阳极层122可包括阳极活性材料和导电材料。例如，根据本公开的全固态电池100的阳极层122可以是其中混合并设置有阳极活性材料和导电材料的集成阳极层122。

根据本公开的全固态电池100中包括的阳极可包括常用的阳极活性材料。作为阳极活性材料，可使用碳型材料、硅、氧化硅、硅型合金、硅-碳材料复合物、锡、锡型合金、锡-碳复合物、金属氧化物或它们的组合。阳极活性材料可包括锂金属和/或锂金属合金。

锂金属合金可包括锂和可与锂形成合金的金属/准金属。例如，可与锂形成合金的金属/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，并且不包括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

此外，可与锂形成合金的金属/准金属的氧化物可以是锂钛氧化物、钒氧化物、锂钒氧化物、SnO2、SiOx(0

碳型材料可以是结晶碳、无定形碳或它们的混合物。结晶碳可以是石墨，诸如天然石墨或人造石墨(诸如无定形、板状、片状、球状或纤维状的人造石墨)。另外，无定形碳可以是软碳(低温煅烧碳)或硬碳、中间相沥青碳化物、煅烧焦炭、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、SiOx(0

根据本公开的全固态电池100的阳极层122可使用与阴极层121的导电材料相同的导电材料。除了在上述阳极制造工艺中使用阳极活性材料代替阴极活性材料之外，可根据几乎相同的方法制造阳极层122。

在本公开的示例性实施例中，根据本公开的阳极层122在第二方向上的平均裕度a可满足主体在第二方向(Y方向)上的平均宽度A的15％或更大至30％或更小的范围。在根据本公开的全固态电池100中，当阳极层122在第二方向上的平均裕度a满足上述范围时，可确保设置在阳极层122上方和下方的固体电解质层111之间的粘合面积足够大，从而提高全固态电池100的机械强度。

在示例中，根据本公开的全固态电池100的阳极层122在第一方向上的平均裕度b可在电池主体110在第一方向上的平均长度B的5％或更大至10％或更小的范围内。阳极层122在第一方向上的平均裕度b可用于以与上述第二方向上的平均裕度相同的方式在设置在阳极层122上方和下方的固体电解质层之间提供粘合性。当阳极层122在第一方向上的平均裕度b满足上述范围时，可提供具有优异的机械可靠性的全固态电池。

在本公开的示例性实施例中，根据本公开的全固态电池100的主体可包括阴极穿透电极141和阳极穿透电极142。图4和图5是示出根据本公开的阴极层121和阳极层122的示意性平面图。参照图4和图5，本公开的全固态电池100的阴极穿透电极141可连接到阴极层121，并且可穿透阴极层121以连接多个阴极层121。另外，阳极穿透电极142可连接到阳极层122，并且可穿透阳极层122以连接多个阳极层122。在根据本公开的全固态电池100中，通过使用穿透电极连接多个阴极层121和多个阳极层122，外部端子电极可不设置在电池的头部表面上，并且可通过外部端子电极的厚度来确保更大的容量。

在本公开的示例性实施例中，根据本公开的全固态电池100的阴极穿透电极141和阳极穿透电极142中的每个可设置成穿透主体的第六表面S6。也就是说，阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可被引出到主体的同一表面。参照图3，根据本公开的全固态电池100的阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可设置成穿透主体的第六表面S6。

在示例中，本公开的全固态电池100的阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可在第三方向上具有不同的高度。在根据本公开的全固态电池100中，阴极穿透电极141和阳极穿透电极142不形成为在第三方向上同时穿透主体。因此，阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可布置成被引出到电池主体的一侧，并且阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可不被引出到与引出穿透电极的表面相对的表面。因此，阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可具有不同的高度，并且根据在第三方向上设置在阴极层121或阳极层122上方的电极层，阴极穿透电极141或阳极穿透电极142可具有相对高的高度。

在示例中，根据本公开的全固态电池100的阴极穿透电极141可设置成与阴极层121在第二方向(Y方向)上的端部接触，并且阳极穿透电极142可设置成与阳极层122在第二方向(Y方向)上的端部接触。参照图4和图5，本公开的阴极穿透电极141可设置成与阴极层121在第二方向(Y方向)上的端部接触，更具体地，与阴极层121的主体的第四表面S4的端部接触。另外，本公开的阳极穿透电极142可设置成与阳极层122在第二方向(Y方向)上的端部接触，更具体地，与阳极层122的主体的第三表面S3的端部接触。如在该示例中，当阴极穿透电极141和阳极穿透电极142分别设置成与主体在第二方向(Y方向)上的两端接触时，阳极层122和阴极层121可形成为更大，从而有助于增加容量。

用于形成阴极穿透电极141和阳极穿透电极142的材料没有特别限制。例如，阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可使用包括银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、铜(Cu)、锡(Sn)、钨(W)、钛(Ti)及它们的合金中的一种或更多种导电金属的导电膏形成。形成阴极穿透电极141和阳极穿透电极142的方法没有特别限制。例如，阴极穿透电极141和阳极穿透电极142可通过以下方法形成：形成其中堆叠有固体电解质层111、阴极层121和阳极层122的主体110，然后使用激光钻或机械销冲头沿第三方向(Z方向)穿透主体110，并填充上述导电膏。

此外，在上述实施例中，全固态电池100的阴极端子131可设置在主体的第六表面S6上，并且阳极端子132可设置在主体的第六表面S6上，且在第二方向(Y方向)上与阴极端子131间隔开。在这种情况下，本示例性实施例的全固态电池100可具有所谓的下电极结构：阴极端子131和阳极端子132仅设置在主体的下表面方向上，并且与现有的头部表面电极型固态电池100相比，本示例性实施例的全固态电池100可安装在基板的狭窄区域中。

在示例中，根据本公开的全固态电池100的阴极端子131'的一部分可设置在主体的第六表面S6上，并且阴极端子131'的剩余部分可设置成延伸到第一表面S1、第三表面S3和第四表面S4上。另外，阳极端子132'的一部分可设置在主体的第六表面S6上，并且阳极端子132'的剩余部分可设置成延伸到第二表面S2、第三表面S3和第四表面S4上。图6是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池100的示意图。参照图6，阴极端子131'设置成从设置在主体的第六表面S6上的区域延伸到主体的第一表面S1、第三表面S3和第四表面S4，并且阳极端子132'可设置成从设置在主体的第六表面S6上的区域延伸到主体的第二表面S2、第三表面S3和第四表面S4。当阴极端子131'和阳极端子132'设置成如本示例中那样延伸到主体的其他表面上时，阴极端子131'和阳极端子132'之间的结合强度可增加，因此可进一步改善根据本公开的全固态电池100的机械可靠性。

在本公开的另一示例性实施例中，根据本公开的全固态电池200的阴极穿透电极241可设置成穿透主体的第六表面S6，并且阳极穿透电极242可设置成穿透主体的第五表面S5。也就是说，阴极穿透电极241和阳极穿透电极242可被引出到主体的相对表面。图7至图9是示出根据本实施例的全固态电池200的图。参照图7至图9，根据本公开的全固态电池200的阴极穿透电极241可设置成穿透主体的第六表面S6，并且阳极穿透电极242可设置成穿透主体的第五表面S5。

此外，在上述实施例中，全固态电池200的阴极端子231可设置在主体的第六表面S6上，并且阳极端子232可设置在主体的第五表面S5上。在这种情况下，本实施例的全固态电池200可具有阴极端子231和阳极端子232分别设置在主体的下表面和上表面上的结构，并且可应用在堆叠的基板之间以增加空间利用率。

在示例中，根据本公开的全固态电池200的阴极端子231'的一部分可设置在主体的第六表面S6上，并且阴极端子231'的剩余部分可设置成延伸到主体的第一表面S1、第三表面S3和第四表面S4上。同时，阳极端子232'的一部分可设置在主体的第五表面S5上，并且阳极端子232'的剩余部分可设置成延伸到主体的第二表面S2、第三表面S3和第四表面S4上。图9是示出根据本公开的示例性实施例的全固态电池200的示意图。参照图9，阴极端子231'可设置成从设置在主体的第六表面S6上的区域延伸到主体的第一表面S1、第三表面S3和第四表面S4，并且阳极端子232'可设置成从设置在主体的第五表面S5上的区域延伸到主体的第二表面S2、第三表面S3和第四表面S4。当阴极端子231'和阳极端子232'布置成如本示例中那样延伸到主体的其他表面上时，阴极端子231'和阳极端子232'之间的结合强度可增加，因此可进一步改善根据本发明的全固态电池200的机械可靠性。

根据本公开的制造全固态电池100的方法没有特别限制。例如，全固态电池100可通过以下方式制造：在第三方向(Z方向)上堆叠固体电解质层111和多个阴极层121和多个阳极层122且固体电解质层111设置在多个阴极层121和多个阳极层122之间，形成阴极穿透电极141和阳极穿透电极142，然后烧结阴极穿透电极141和阳极穿透电极142，但是本实施例不限于此。

例如，阴极端子131和阳极端子132可通过在阴极穿透电极141和阳极穿透电极142的引出部上涂覆包括导电金属的端子电极膏来形成，或者通过在完成烧结的电池主体110的阴极穿透电极141和阳极穿透电极142上涂覆端子电极膏或粉末并通过使用诸如感应加热的方法烧结端子电极膏或粉末来形成。此外，阴极端子131和阳极端子132可通过在阴极穿透电极141和阳极穿透电极142的引出部上溅射或电沉积导电金属来形成，但是本示例不限于此。导电金属可以是例如铜(Cu)、镍(Ni)、锡(Sn)、钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钨(W)、钛(Ti)、铅(Pb)及它们的合金中的一种或更多种导电金属，但不限于此。

在示例中，根据本公开的全固态电池100还可包括设置在阴极端子131和阳极端子132的每个上的镀层(未示出)。镀层可包括从由铜(Cu)、镍(Ni)、锡(Sn)、钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钨(W)、钛(Ti)、铅(Pb)及它们的合金组成的组中选择的一种或更多种，但不限于此。镀层可形成为单层或多层，并且可通过溅射或电沉积形成，但不限于此。

虽然以上已经示出和描述了示例性实施例，但是对于本领域技术人员将易于理解的是，在不脱离本发明的由所附权利要求限定的范围的情况下，可作出修改和变型。