CN101673846A - 一种全固态锂离子薄膜电池 - Google Patents

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陈上
肖卓炳
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Abstract

一种全固态锂离子薄膜电池。是以Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片作为电解质的同时兼作基片，在烧结片的两侧分别沉积LiCoO2或LiMn2O4薄膜作为正极、Li4Ti5O12或LiMn2O4薄膜作为负极而成，电池正、负极薄膜厚度在20μm以下，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的厚度在1.5mm以下。本发明薄膜电池的内阻和厚度都不会增加，但却使薄膜电池的制作更方便。且电池为全固态，能用于一体化集成领域和高温环境，可避免使用额外基片。

Description

一种全固态锂离子薄膜电池
技术领域
本发明涉及一种全固态锂离子薄膜电池。
背景技术
作为锂离子电池一个分支的全固态锂离子薄膜电池，由于在智能卡、CMOS基集成电路、微设备等方面具有广泛的应用前景，受到各国学者的广泛关注，成为锂离子电池研究的新热点。
目前锂离子薄膜电池的研究都是在硅基片或其它基片上进行的。一般是在基片上沉积正极薄膜，然后沉积固体电解质薄膜，最后沉积负极薄膜(或反向进行)。由于薄膜电池存在额外基片，研制工作较为烦琐。尽管以lithium phosphorus oxynitride(LiPON)无定形薄膜为固体电解质、金属锂为负极研制的LiMn2O4/LiPON/Li或LiCoO2/LiPON/Li薄膜电池性能相对较好[J.B.Bates，N.J.Dudney，B.Neudecker，et al.Solid State Ionics 135(2000)33]，但由于锂的熔点(约180℃)低于焊接温度(250℃-260℃)，焊接时会导致锂负极的熔化从而破坏电池，因而难以应用于一体化集成领域。
本发明人在研究Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3锂离子固体电解质烧结片时发现，尽管制备的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片厚度不到1mm，压片时的压强较小，没有添加助熔剂，但制备的烧结片却具有相当强度，不易断裂。所以用这种烧结片作为固体电解质的同时又兼作基片来制作锂离子薄膜电池，可避免使用额外基片。
目前最受关注的LiPON固体电解质薄膜的离子电导率为2.3×10-6S.cm-1[X.Yu，J.B.Bates，G.E.Jellison，et al.J.Electrochem.Soc.144(1997)524.]，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的离子电导率为7×10-4 S.cm-1[H.Aono，E.Sugimoto，Y.Sadaoka，et al.J.Electrochem.Soc.136(1989)L590.]。比较可知，在面积相同的情况下，300μm厚的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片与1μm厚的LiPON固体电解质薄膜的电阻差不多。因此与有额外基片(一般基片的厚度在300μm以上)采用1μm厚LiPON为固体电解质的锂离子薄膜电池相比，采用Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片作为固体电解质并兼作基片来制备锂离子薄膜电池，薄膜电池的内阻和厚度都不会增加，但却使薄膜电池的制作更方便。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于固体电解质烧结片的全固态锂离子薄膜电池。
Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3是一种性能优良的锂离子固体电解质，其离子电导率可达7×10-4S.cm-1，烧结片的强度大，不易断裂。本发明采用固相反应和溶胶-凝胶法合成Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片，是以Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片作为电解质的同时兼作基片，在烧结片的两侧分别沉积LiCoO2或LiMn2O4薄膜作为正极、Li4Ti5O12或LiMn2O4薄膜作为负极而成。其Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的厚度在1.5mm以下，正、负极薄膜厚度在20μm以下。
采用Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片作为固体电解质并兼作基片来制备锂离子薄膜电池，薄膜电池的内阻和厚度都不会增加，但却使薄膜电池的制作更方便。且电池为全固态，能用于一体化集成领域和高温环境，可避免使用额外基片。
具体实施方案
实施例1
首先将化学计量比的醋酸锂和醋酸锰加热溶解于少量去离子水后，加入乙二醇甲醚得到LiMn2O4前驱体溶液，溶液浓度为0.3mol/L。再将化学计量比的醋酸锂溶于乙二醇甲醚，待完全溶解后加入Ti(OC4H9)4并不断搅拌，得到0.2mol/L的Li4Ti5O12前驱体溶液。将Li4Ti5O12前驱体溶液喷雾热解在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片一侧，烧结片温度控制在380℃。然后将一侧沉积了Li4Ti5O12薄膜的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片于快速退火***中800℃热处理5分钟。热处理后将LiMn2O4前驱体溶液喷雾热解在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片的另一侧，烧结片温度控制在350℃，沉积了LiMn2O4薄膜后于快速退火***中750℃热处理5分钟得到开路电压约为2.4V的LiMn2O4/Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/Li4Ti5O12全固态锂离子薄膜电池。在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片两侧沉积的LiMn2O4、Li4Ti5O12薄膜厚度在20μm以下，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的厚度在1.5mm以下。整个过程中，喷嘴与Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的距离为8cm，
实施例2
首先将化学计量比的醋酸锂和醋酸钴加热溶解于少量去离子水后，加入乙二醇甲醚得到0.3mol/L的LiCoO2前驱体溶液。另外将化学计量比的醋酸锂溶于乙二醇甲醚，待完全溶解后加入Ti(OC4H9)4并不断搅拌，得到0.2mol/L的Li4Ti5O12前驱体溶液。将LiCoO2前驱体溶液、Li4Ti5O12前驱体溶液分别喷雾热解在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的两侧，烧结片的温度控制在380℃，喷嘴与Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的距离为8cm。Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3两侧分别沉积了Li4Ti5O12和LiCoO2薄膜后于快速退火***中800℃热处理5分钟，得到开路电压约为2.2V的LiCoO2/Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/Li4Ti5O12全固态锂离子薄膜电池。在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片两侧沉积的LiCoO2、Li4Ti5O12薄膜厚度在20μm以下，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的厚度在1.5mm以下。
实施例3
首先将化学计量比的醋酸锂和醋酸锰加热溶解于少量去离子水后，加入乙二醇甲醚得到LiMn2O4前驱体溶液，溶液浓度为0.3mol/L。然后将LiMn2O4前驱体溶液分别喷雾热解在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的两侧，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片温度控制在350℃，喷嘴与Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的距离为8cm。然后将两侧沉积了LiMn2O4薄膜的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片于快速退火***中750℃热处里5分钟，得到开路电压约为1.2V的LiMn2O4/Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/LiMn2O4全固态锂离子薄膜电池。在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片两侧沉积的LiMn2O4薄膜厚度在20μm以下，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的厚度在1.5mm以下。

Claims (1)

1、一种全固态锂离子薄膜电池，其特征是以Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片作为电解质的同时兼作基片，在烧结片的两侧分别沉积正极为LiCoO2或LiMn2O4薄膜和负极为Li4Ti5O12或LiMn2O4薄膜；正、负极薄膜厚度在20μm以下，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3固体电解质烧结片的厚度在1.5mm以下。
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