折叠式全固态电池

技术领域

本公开涉及一种折叠式全固态电池，其中，正极部分和负极部分以Z字形的形式折叠的状态耦接。

背景技术

全固态电池是三层堆叠，包括接合到正极集电体的正极活性材料层、接合到负极集电体的负极活性材料层、以及设置在正极活性材料层与负极活性材料层之间的固体电解质层。

这种单元电池型全固态电池具有以下缺点：它的每个电极的接合应当通过冲压执行，并且应当执行多个单元电池的堆叠，因此，其制造方法非常复杂。

发明内容

本公开已致力于解决与现有技术相关的上述问题，并且本公开的目的是提供一种具有适合于批量生产的结构的折叠式全固态电池。

本公开的另一个目的是提供具有能够防止多个电极在其堆叠期间短路的结构的折叠式全固态电池。

本公开的目的不限于上述目的，并且本领域技术人员将从以下详细描述中更清楚地理解尚未描述的本公开的其他目的。此外，本公开的目的可以通过所附要求及其组合中限定的手段来实现。

在一个实施方式中，本公开提供了一种全固态电池，包括：正极部分，包括沿纵向方向延伸的板状正极集电体；多个单元正极，设置为沿正极集电体的纵向方向彼此间隔开；以及第一电解质层，设置在正极集电体和单元正极上；以及负极部分，包括沿纵向方向延伸的板状负极集电体；多个单元负极，设置为沿负极集电体的纵向方向彼此间隔开；以及第二电解质层，设置在负极集电体和单元负极上，其中，正极部分具有以Z字形的形式折叠的形状，使得正极部分被分成各自对应于每个单元正极的区域的单元区域，并且负极部分具有以Z字形的形式折叠的形状，使得负极部分被分成各自对应于每个单元负极的区域的单元区域，并且其中，正极部分的突出部被插入到负极部分的凹入部中，并且负极部分的突出部被插入到正极部分的凹入部中。

在一些实施方式中，全固态电池包括反应区域，其中，参考剖面堆叠正极集电体、每个单元正极、第一电解质层、第二电解质层、每个单元负极和负极集电体。

在优选实施方式中，单元正极可以设置在正极集电体的一个表面上。

在另一优选实施方式中，每个单元正极可以具有约50至约300μm的厚度。

在又一优选实施方式中，可以沿正极集电体的纵向方向在正极集电体和单元正极上涂覆第一电解质层。

在又一优选实施方式中，第一电解质层可以具有约10至约500μm的厚度。

在又一优选实施方式中，第一电解质层可以包括选自由硫化物类固体电解质、氧化物类固体电解质、聚合物类固体电解质及其组合组成的组中的至少一种。

在又一优选实施方式中，正极部分可以满足以下表达式1：

[表达式1]

Y

其中，“Y

在又一优选实施方式中，单元负极可以设置在负极集电体的一个表面上。

在又一优选实施方式中，每个单元负极可以具有约50μm至约300μm的厚度。

在又一优选实施方式中，第二电解质层可以沿负极集电体的纵向方向涂覆在负极集电体和单元负极上。

在又一优选实施方式中，第二电解质层可以具有约10至约500μm的厚度。

在又一优选实施方式中，第二电解质层可以包括选自由硫化物类固体电解质、氧化物类固体电解质、聚合物类固体电解质及其组合组成的组中的至少一种。

在又一个优选实施方式中，负极部分可以满足以下表达式2：

[表达式2]

Y

其中，“Y

在又一优选实施方式中，每个单元负极可以具有的长度等于或大于每个单元正极的长度。

在又一优选实施方式中，每个单元负极可以具有的宽度大于每个单元正极的宽度。

在又一优选实施方式中，全固态电池可以进一步包括正极接片，该正极接片连接至正极集电体的沿堆叠方向设置在最外侧的一部分。

在又一优选实施方式中，全固态电池可以进一步包括负极接片，该负极接片连接至负极集电体的沿堆叠方向设置在最外侧的一部分。

在一些实施方式中，单元正极被设置在第一电解质层与正极集电体之间。

在一些实施方式中，单元负极被布置在第二电解质层与负极集电体之间。

在另一实施方式中，提供了包括本文公开的装置的车辆。

下文讨论了包括本公开的优选实施方式的其他实施方式。

下面讨论本公开的上述特征和其他特征。

附图说明

现在将参考在附图中示出的本公开的某些示例性实施方式详细地描述本公开的以上和其他特征，在下文中，附图仅以说明的方式给出并且因此不限制本公开，并且其中：

图1是示出根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的截面示图；

图2是解释根据本公开的示例性实施方式的正极部分的参考示图；

图3是解释根据本公开的示例性实施方式的负极部分的参考示图；

图4是示出了正极部分的平面示图；

图5是示出了正极部分的截面示图；

图6是示出了负极部分的平面示图；

图7是示出了负极部分的截面示图；

图8是示出了根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的一个最外侧的截面示图；

图9是示出根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的另一最外侧的截面示图；以及

图10是在测量根据实施例1、实施例2和比较例2的全固态电池的充电和放电容量之后获得的结果。

应当理解，附图不一定按比例绘制，呈现了说明本公开的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。如本文所公开的本公开的特定设计特征(包括例如特定尺寸、取向、位置和形状)将部分地由特定预期应用和使用环境确定。

在附图中，贯穿附图的几幅图，参考标号指代本公开的相同或等同的部分。

具体实施方式

通过结合附图进行的以下优选形式，将更清楚地理解本公开的上述和其他目标、特征和优点。然而，本公开不限于本文中公开的各种形式，并且可修改为不同的形式。提供这些形式以彻底解释本公开并将本公开的精神充分地传达给本领域技术人员。

应当理解，如本文所使用的术语“车辆”或“交通工具”或其他类似术语包括通常的机动车辆，诸如载客汽车，包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船只和航船的水运工具、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，源自除石油以外的资源的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种以上动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力车辆。

本文中使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而并非旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一种”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式。这些术语仅仅旨在将一个部件与另一个部件区分开，并且这些术语不限制组成部件的性质、序列或顺序。将进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和所有组合。在整个说明书中，除非明确地描述为相反，否则词语“包括”和诸如“包含”或“含有”的变体将被理解为暗示包含所述元件，但不排除任何其他元件。

除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所使用的，术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另有明确说明，否则本文中提供的所有数值均由术语“约”修饰。

在整个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。为了本公开的清楚起见，结构的尺寸被描绘为大于其实际尺寸。应当理解，尽管本文中可以使用诸如“第一”、“第二”等的术语来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，下面讨论的“第一”元件可以被称为“第二”元件。类似地，“第二”元件也可被称为“第一”元件。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式旨在也包括复数形式。

将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在或添加。而且，将理解，当诸如层、膜、区域或片的元件被称为“在”另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上，或者其间可存在中间元件。类似地，当诸如层、膜、区域或片的元件被称为“在”另一元件“下方”时，其可以直接在另一元件下方，或者其间可以存在中间元件。

除非另外规定，否则表达本文所使用的组分、反应条件、聚合物组合物和混合物的量的所有数字、值和/或表示应被视为包括影响测量的各种不确定性的近似值，这些不确定性在获得这些值时固有地发生，等等，并且因此应被理解为在所有情况下由术语“约”修饰。此外，当在本说明书中公开数值范围时，该范围是连续的，并且包括从所述范围的最小值到其最大值的所有值，除非另有说明。此外，当这样的范围涉及整数值时，包括最小值到最大值的所有整数都包括在内，除非另有说明。

图1是示出根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的截面示图。图2是解释根据本公开的示例性实施方式的正极部分的参考示图。图3是解释根据本公开的示例性实施方式的负极部分的参考示图。在下文中，将参考图1至图3描述全固态电池。

由参考标号“1”表示的全固态电池可以包括正极部分10，该正极部分10包括正极集电体11、多个单元正极12、以及第一电解质层13，多个单元正极12设置为沿正极集电体11的纵向方向以均匀距离彼此间隔开，第一电解质层13设置在正极集电体11和单元正极12上。

全固态电池1可以包括负极部分20，负极部分20包括负极集电体21、多个单元负极22和第二电解质层23，多个单元负极22设置成沿负极集电体21的纵向方向以均匀距离彼此间隔开，第二电解质层23设置在负极集电体21和单元负极22上。

参考图2，正极部分10可以具有正极部分10以Z字形的形式折叠的折叠形状，使得正极部分10被分成各自具有与每个单元正极12的区域对应的单元区域的部分。这里，与单元正极12的区域相对应的单元区域是指单元正极12可以充分形成在其上的区域，并且不限于特定值。根据上述结构，正极部分10可以包括突出部B

参考图3，负极部分20可以具有负极部分20以Z字形的形式折叠的折叠形状，使得负极部分20被分成各自具有与每个单元负极22的区域对应的单元区域的部分。这里，与单元负极22的区域相对应的单元区域是指单元负极22可以充分形成在其上的区域，并且不限于特定值。根据上述结构，负极部分20可以包括突出部B

全固态电池10可以被配置成使得正极部分10的突出部B

尽管图1示出了正极部分10和负极部分20之间的空白空间，但该图示仅用于更好地理解两个部分10和20之间的组装关系。在实际情况下，全固态电池的空白空间可通过压制等用第一电解质层13和第二电解质层23填充。

图4是示出了正极部分10的平面示图。图5是示出了正极部分10的截面示图。图4和图5示出了在折叠之前的状态下的正极部分10。该说明仅是为了便于描述，并且本领域技术人员可以在配置全固态电池1时清楚地理解全固态电池1中的配置之间的关系。此外，附图中示出的组成元件的尺寸尺度可以不同于实际尺寸尺度。即，附图中示出的组成元件的尺寸尺度与具体实施方式中描述的那些相同，并且因此，不应当被解释为与图中示出的那些相同。

正极集电体11可以具有沿纵向方向延伸的板的形式。

正极集电体11可以包括具有导电性的材料。例如，正极集电体11可以包括铝箔。此外，正极集电体11可以在其表面涂覆有碳。在这种情况下，碳起到增强导电性的作用。

正极集电体11的厚度不限于特定值，并且可以是例如约5μm至约20μm。

单元正极12具有预定长度L

单元正极12可以包括正极活性材料、固体电解质、导电材料、粘合剂等。

正极活性材料可以是氧化物活性材料或硫化物活性材料。

氧化物活性材料可以是诸如LiCoO

硫化物活性材料可以是铜Chevrel、硫化铁、硫化钴、硫化镍等。

正极活性材料的负载量不限于特定值，并且可以是10至35mg/cm

固体电解质可以是氧化物固体电解质或硫化物固体电解质。当然，可优选使用具有高锂离子传导性的硫化物类固体电解质。虽然硫化物类固体电解质不限于特定的电解质，但是硫化物类固体电解质可以是Li

导电材料可以是炭黑、导电石墨、乙烯黑、石墨烯等。

粘合剂可以是丁二烯橡胶(BR)、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)等。

单元正极12可以具有约50至约300μm的厚度。当单元正极12的厚度小于约50μm时，全固态电池1的容量可以减小。当单元正极12的厚度大于约300μm时，可能难以稳定地形成堆叠结构。

单元正极12的混合密度不限于特定值，并且可以是例如0.5至5.0g/cc。

形成单元正极12的方法不限于具体方法。可以通过制备包括正极活性材料、固体电解质、导电材料、粘合剂等的浆料，然后用浆料直接涂覆正极集电体11来形成单元正极12。可替换地，单元正极12可以通过将浆料涂覆在可释放片上，然后可以转移到正极集电体11上形成。另外，可以通过将粉末状的正极活性材料、固体电解质、导电材料、粘合剂等填充到模具中，然后压制模具来形成单元正极12，然后可以将形成的单元正极12转移到正极集电体11上。

第一电解质层13可以沿正极集电体11的纵向方向涂覆在正极集电体11和单元正极12上。具体地，就防止短路而言，可以优选涂覆第一电解质层13以完全覆盖单元正极12的表面和侧表面。

第一电解质层13可以包括选自由硫化物类固体电解质、氧化物类固体电解质、聚合物类固体电解质及其组合组成的组中的至少一种。

硫化物类固体电解质可以是Li

氧化物类固体电解质可以包括钙钛矿型Li

聚合物类固体电解质可以包括凝胶聚合物电解质、固体聚合物电解质等，并且可以包括例如聚环氧乙烷(PEO)。

第一电解质层13可以具有约10μm至约500μm的厚度。当第一电解质层13的厚度小于约10μm时，可能难以防止单元正极12与单元负极22之间的接触。当第一电解质层13的厚度大于约500μm时，可能难以稳定地形成堆叠结构。

正极部分10可以满足以下表达式1：

[表达式1]

Y

在表达式1中，“Y

当单元正极12之间的距离Y

同时，尽管单元正极12之间的距离的上限不限于特定值，但是单元正极12之间的距离的上限可以是50×X

单元正极12之间的距离可以在满足上述表达式1的范围内适当地调整。即，多个单元正极12之间的距离在满足上述表达式1的范围内可以相等或者可以不同。例如，单元正极12可以形成为使得构成突出部B

图6是示出了负极部分20的平面示图。图7是示出了负极部分20的截面示图。图6和图7示出了处于折叠之前的状态的负极部分20。该说明仅是为了便于描述，并且本领域技术人员可以在配置全固态电池1时清楚地理解全固态电池1中的配置的关系。此外，附图中示出的组成元件的尺寸尺度可不同于实际尺寸尺度。即，附图中示出的组成元件的尺寸尺度与具体实施方式中描述的那些相同，并且因此，不应当被解释为与图中示出的那些相同。

负极集电体21可以具有沿纵向方向延伸的板的形式。

负极集电体21可以包括具有导电性的材料。例如，负极集电体21可以包括选自由铜(Cu)、镍(Ni)、不锈钢(SUS)、以及它们的组合组成的组中的至少一种。

负极集电体21可以是孔隙率小于约1％的高密度金属薄膜。

负极集电体21的厚度不限于特定值，并且可以是例如约4μm至约20μm。

单元负极22具有预定长度L

根据本公开的第一实施方式，单元负极22可以是包括负极活性材料和固体电解质的复合负极。

负极活性材料可以限于特定材料，并且可以是碳活性材料或金属活性材料。

碳活性材料可以是石墨，如间碳微球(MCMB)、高度取向的热解石墨(HOPG)等，或无定形碳，如硬碳、软碳等。

金属活性材料可以是In、Al、Si、Sn、包含其中至少一种的合金等。

固体电解质可以包括氧化物固体电解质或硫化物固体电解质。当然，可优选使用具有高锂离子传导性的硫化物类固体电解质。硫化物类固体电解质可以是Li

根据本公开的第二实施方式，单元负极22可以包括锂金属或锂金属合金。

锂金属合金可以包括锂或可以与锂一起合金化的金属或半金属的合金。可与锂合金化的金属或半金属可以包括Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb等。

根据本公开的第三实施方式，单元负极22可不包括负极活性材料和具有与负极活性材料基本相同的功能的构造。在对全固态电池充电时从单元正极12迁移的锂离子可以以锂金属的形式沉淀并储存在单元负极22与负极集电体21之间。

单元负极22可以包括无定形碳和能够与锂一起形成合金的金属。

无定形碳可以包括选自由炉黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯、以及它们的组合组成的组中的至少一种。

金属可以包括选自由以下组成的组中的至少一种：金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、硅(Si)、银(Ag)、铝(Al)、铋(Bi)、锡(Sn)、锌(Zn)、以及它们的组合。

单元负极22可以具有约50μm至约300μm的厚度。当单元负极22的厚度小于约50μm时，全固态电池1的容量可以减小。当单元负极22的厚度大于约300μm时，可能难以稳定地形成堆叠结构。

单元负极22的混合物密度不限于特定值，并且可以是例如0.1g/cc至3.5g/cc。

形成单元负极22的方法不限于具体方法。可以通过制备包括负极活性材料、固体电解质等的浆料，然后用浆料直接涂覆负极集电体21来形成单元负极22。可替换地，单元负极22可以通过将浆料涂覆在可释放片上，然后可以转移至负极集电体21上形成。另外，可以通过将粉末状的负极活性材料、固体电解质等填充到模具中，然后压制模具来形成单元负极22，然后可以将形成的单元负极22转移到负极集电体21上。另外，单元负极22可通过将锂金属或锂合金直接附接至负极集电体21而形成。

第二电解质层23可以沿负极集电体21的纵向方向涂覆在负极集电体21和单元负极22上。具体地，就防止短路而言，可以优选涂覆第二电解质层23以完全覆盖单元负极22的表面和侧表面。

第二电解质层23可以包括选自由硫化物类固体电解质、氧化物类固体电解质、聚合物类固体电解质及其组合组成的组中的至少一种。

硫化物类固体电解质可以是Li

氧化物类固体电解质可以包括钙钛矿型Li

聚合物类固体电解质可以包括凝胶聚合物电解质、固体聚合物电解质等，并且可以包括例如聚环氧乙烷(PEO)。

第二电解质层23可以具有约10μm至约500μm的厚度。当第二电解质层23的厚度小于约10μm时，可能难以防止单元正极12与单元负极22之间的接触。当第二电解质层23的厚度大于约500μm时，可能难以稳定地形成堆叠结构。

负极部分20可以满足以下表达式2：

[表达式2]

Y

在表达式2中，“Y

当单元负极12之间的距离Y

同时，尽管单元负极22之间的距离的上限不限于特定值，但是单元负极22之间的距离的上限可以是50×X

单元负极22之间的距离可以在满足上述表达式2的范围内适当地调整。即，多个单元负极22之间的距离在满足上述表达式2的范围内可以相等或者可以不同。例如，单元负极22可以被形成为使得构成突出部B

同时，在根据本公开的示例性实施方式的具有如图1所示的堆叠结构的全固态电池1中，单元负极22的长度L

图8是示出了根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的一个最外侧的截面示图。全固态电池可以进一步包括正极接片30，该正极接片30连接至沿堆叠方向设置在全固态电池的最外侧处的正极集电体11。

图9是示出根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的另一最外侧的截面示图。参考图9，全固态电池可以进一步包括负极接片40，该负极接片40连接至沿堆叠方向设置在全固态电池的最外侧处的负极集电体21。

根据本公开的示例性实施方式的全固态电池的制造方法不限于具体的制造方法。例如，制造方法可以包括：通过在正极集电体11上形成多个单元正极12以及在多个单元正极12上形成第一电解质层13，来获得正极部分10；通过在负极集电体21上形成多个单元负极22以及在多个单元负极22上形成第二电解质层23，来获得负极部分20；以图2所示的方式折叠正极部分10；以图3所示的方式折叠负极部分20；组装正极部分10和负极部分20，使得正极部分10的突出部B

在下文中，将通过实施例更详细地描述本公开的另一实施方式。以下实施例仅是说明性的，以更好地理解本公开，因此，本公开的范围不限于此。

实施例1、实施例2、比较例1和比较例2

具有约150μm厚度的单元正极形成在正极集电体上。在单元正极上形成包括硫化物类固体电解质的第一电解质层至约150μm的厚度，从而获得正极部分。

在负极集电体上形成根据上述第三实施方式的包含无定形碳和金属的涂层。在单元负极上形成包括硫化物类固体电解质的第二电解质层，由此获得负极部分。

单元负极的宽度和长度大于单元正极的宽度和长度。

[表1]

图10是在测量根据实施例1、实施例2和比较例2的全固态电池的充电和放电容量之后获得的结果。

参考表1和图10，在比较例1中发生短路，并且在比较例2中容量劣化。另一方面，在实施例1和实施例2中，证实了，当电池具有如图1所示的堆叠结构时，可以正常驱动。

尽管已经详细地描述了本公开的实验例和实例，但本公开的范围不限于此。本领域的技术人员使用在所附权利要求中限定的本公开的基本概念能够设计的各种修改和改进也落在本公开的范围内。

如从以上描述中显而易见的，根据本公开的示例性实施方式，可以获得具有适合于批量生产的结构的折叠式全固态电池。

根据本公开的示例性实施方式，可以获得具有能够防止多个电极在其堆叠期间短路的结构的折叠式全固态电池。

在本公开中可获得的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员将从所附权利要求中更清楚地理解尚未描述的本公开的其他效果。

已经参考本公开的优选实施方式详细地描述了本公开。然而，本领域技术人员应当理解的是，在不背离本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施方式做出改变，本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。