CN116454552A - 一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态锂电池领域，具体为一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***。本发明通过采用双面印制的电路基板，并在同层引入高分子填料分隔绝缘并固定单电池，使得单电池能够微型化、高度集成化、多功能化、一体化形成电池***，从而极大的提升了空间利用率进而为负载提供更大电流、电压与容量。此外，三维堆叠结构电池内部通过高分子填充物互相隔离，致使电芯具有相对独立的电流网络，某个损坏不影响整个电池***，降低了单个电池对电池***的影响，提升电池***在穿刺损伤、大电流冲击等极端情况下的安全性。本发明可直接采用不含有封装和集流体的电芯，进一步提升空间利用率。

Description

一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***
技术领域
本发明涉及固态锂电池领域，具体为一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，基于轻质高强的双面金属化电路基板。
背景技术
固态锂电池是指结构中不含液体，所有材料都以固态形式存在的储能器件，主要是由正极、负极以及固态电解质组成，具有高安全性和高能量密度等优势，在3C消费电子、电动交通等领域具有巨大的应用潜力，比如手机、数码相机、笔记本电脑等小型便携式电子产品及电动汽车等电动交通工具等。随着科技的进步，固态锂电池器件正朝着轻质化、柔性化、高强化等方向发展。
目前，通过正极、负极、电解质等材料的优化，固态锂电池的能量密度、输出电流/电压、倍率性能、循环寿命等综合性能得到了大幅提升，并且理论上通常具有高于5V的电化学稳定窗口。但是，在固态锂离子电池的电极/电解质界面存在松弛的物理接触、晶界的形成以及副反应等问题，不可避免地会导致正负极两侧界面阻抗的增加，使大部分固态锂离子电池在实际应用中会表现出更低的容量。特别是，随着电池尺寸的增加，界面反应均匀性、内部产热等难以控制，存在热失控甚至***等风险。所以单个电池所能提供的电流、电压和容量仍然是有限的，无法满足一些大电流、高电压、大容量等场景的应用要求，固态锂电池的输出电流、电压和容量急需提高。此外，现有固态锂电池在外部载荷作用下由于界面滑移等易导致其性能衰减甚至失效问题，结构稳定性有待提升。
在电池输出电流、电压及容量等性能提升方面，当前业内通常采用简单的堆叠装置来实现电池的堆叠，即先将正负极极片叠片形成电芯、电芯封装后形成单个电池，然后把单个电池固定于特定的金属或塑料框架之中，然后再用导线焊接的方法去对电池进行串并联连接。通过这种方法实现电池的连接虽然操作简便，能够一定程度的有效提高电池组输出电流、电压和容量；但该方法对电池的尺寸、一致性要求苛刻，且空间的利用并不充分，堆叠密度较低，所用到的堆叠装置体积过于庞大，而且与电池之间难免会存在一定的间隙。堆叠装置在整个电池组的串并联连接中更像是起到了“置物架”的作用，其中的任意单电池都可随意加入或脱离堆叠装置。如果堆叠装置未设计专门的导线固定通道，还会存在导线缠结混乱的问题，非常不便于电池组的管理。
在电池结构稳定性提升方面，一方面集中于将电池夹在坚固的增强复合材料之间的电池结构设计，主要负责力学承载，对储能密度没有贡献；另一方面集中于开发既可以作为负载组件也可以作为功能电池组件的多功能材料，比如高导电高强度碳纤维集流体一体化负极，通常具有较低的能量密度。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决当前固态锂电池***对于大输出电流、高输出电压、高能量密度及高强度等需求，本发明提供了一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，基于轻质高强的双面金属化电路基板，将固态锂电池内嵌在双面金属化电路基板中，通过电路基板的面内印刷电路实现多个固态锂电池在基板面内的自定义连接，并通过电路基板的金属化通孔实现多个固态锂电池在基板间的纵向连接，构筑具有三维堆叠结构的高密度高强度固态锂电池***，按需输出负载所需的电流与电压。同时，固态锂电池***还能够承载机械作用力，可作为结构部件，进一步减轻装备***的重量，从而提升装备的作业时间。
一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，包括电路基板、固态锂电池层、基板薄膜/正负极集流体和封装外壳。
所述电路基板为双面电路印刷基板，有n≥1个，电路基板的上下两面分别印制有对应于同层各个固态锂电池正/负极的图案化集流体，使得同一层各个固态锂电池的正极和正极、负极和负极分别在电路基板的上下两面内连通。
并且，电路基板两面的集流体上均设有金属化通孔，用于固态锂电池间的层间纵向电气连通。这里需要说明，考虑到固态锂电池自身的特性以及本发明所提出的三维堆叠结构，有别于常规芯片三维堆叠工艺中的单面基板电路印刷，本发明所使用的电路基板为双面电路印刷基板，且金属化通孔设置于电路基板上下两面图案化集流体的错位处，即金属化通孔不同时贯通上下两面的集流体。
所述基板薄膜/正负极集流体为单面印刷基板，分为首层基板薄膜/正极集流体和底层基板薄膜/负极集流体，用于首层和底层电池的面内连接。
所述固态锂电池层有n+1层，每层最少2个固态锂电池，通过各电路基板将各固态锂电池层隔开，同层的各相邻固态锂电池间填充有高分子填料，以提供各固态锂电池的支撑和保护；各电路基板上下两侧的图案化集流体分别与对应接触侧的各固态锂电池正极或负极接触导通。
所述固态锂电池层与电路基板依次交替层叠设置，并以固态锂电池层为最外层，然后整个叠层结构通过封装外壳完成整个固态锂电池***的封装。首层电路基板的上集流体通过其金属化通孔与上一层高分子填料中的导线焊接实现与首层电池的基板薄膜/正极集流体的连通；首层电路基板的下集流体同样通过其金属化通孔与下一层高分子填料中的导线焊接与下一层电池的负极集流板连通，并依次循环向下连通各层的正负极集流板，直至连通到底层电池的基板薄膜/负极集流体，以完成整个电池***的三维堆叠集成。并且，首层电池的基板薄膜/正极集流体用导线引出作为整个固态锂电池***的正极，底层电池的基板薄膜/负极集流体用导线引出作为整个固态锂电池***的负极。
本发明中通过各电路基板的金属化通孔以及设置于高分子填料中的导线实现各电路基板上下两侧集流体条的跨层电气互联，同时又能有效避免单电池正负极相互短路。
进一步的，所述高分子填料为环氧树脂、聚乙烯或聚丙烯。
进一步的，所述封装外壳为高水氧阻隔薄膜，采用薄膜封装工艺实现。
进一步的，所述导线材料为Al、Au、Ag、Cu或Ni。
进一步的，所述固态锂电池为没有封装外壳和集流体的电芯电池，以提高整个三维堆叠结构固态锂电池***的空间利用率。
进一步的，所述电路基板为图案化的高导电材料修饰的聚合物薄膜(即印刷有图案化的集流体的电路基板)，其中正极侧图案化集流体导电材料为Al、Au或不锈钢，负极侧图案化集流体导电材料为Cu、Ni、Au或不锈钢，聚合物薄膜为聚酰亚胺、聚乙烯或聚苯乙烯。
进一步地，所述固态锂电池与电路基板之间的固定方式为粘结或构建两者之间的限位结构固定。
本发明的高强度结构化固态锂电池***在工作时，只需要将电池***的正负极接口分别与负载相连形成闭合回路，从而为负载供能。
本发明中，对单电池的连接采用了三维堆叠集成工艺，通过采用双面印制的电路基板，并在同层引入高分子填料分隔绝缘并固定单电池，机械强度高，空间利用率极高；具体地涉及TGV穿孔技术以及热超声焊线工艺，使得单电池能够微型化、高度集成化、多功能化、一体化形成电池***，从而极大的提升了空间利用率进而为负载提供更大电流、电压与容量。此外，三维堆叠结构电池内部通过高分子填充物互相隔离，致使电芯具有相对独立的电流网络，某个损坏不影响整个电池***，降低了单个电池对电池***的影响，提升电池***在穿刺损伤、大电流冲击等极端情况下的安全性。本发明可直接采用不含有封装和集流体的电芯，进一步提升空间利用率。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为实施例中粘结胶固定的高强度结构化固态锂电池***结构示意图；
图3为实施例中嵌入式固定的高强度结构化固态锂电池***结构示意图；
图4为实施例中粘结胶固定TGV穿孔、导线焊接以及高分子填充物示意图；
图5为实施例中嵌入式固定TGV穿孔、导线焊接以及高分子填充物示意图；
图6为实施例图案化高导电材料修饰聚合物薄膜电路基板与电芯俯视图；
图7为实施例固态锂电池电芯的结构示意图；
附图标记：1-基板薄膜，2-电路基板负极集流条，3-电路基板正极集流条，4-导通负极集流条的通孔，5-导通正极极流条的通孔，6、7-整体电路基板，8～16-固态锂电池，17-首层基板薄膜/正极集流体，18-底层基板薄膜/负极集流体，19～22-金属焊线，23-三维堆叠结构固态锂电池***的正极外电路接线，24-三维堆叠结构固态锂电池***的负极外电路接线，25-高分子填充物，26-高水氧阻隔封装薄膜，27-固态锂电池电芯正极，28-固态锂电池电芯隔膜，29-固态锂电池电芯负极，30-固态锂电池电芯。
具体实施方式
为了清晰展示本发明的目的、技术方案和优点，下面结合具体实施例和附图，对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
需要特别说明，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图例中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供了一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***的制备方法，以通过错位印刷有集流体条的电路基板作为支撑和分隔骨架，以通过TGV穿孔技术对电路基板进行通孔，以通过向通孔内填充高导电金属实现集流体条在电路基板的正反面电路导通，以通过集流板分别实现三维堆叠电池首层电池正极层内以及底层电池负极层内连接导通，以通过热超声焊线工艺实现电池内部电路基板上正负集流体条分别有序地与首尾层的基板薄膜/正负集流体的连接导通，以通过热超声焊线工艺分别从首尾层的基板薄膜/正负集流体分别引出三维堆叠电池组的正负外电路接头，以通过高分子填充工艺对电池内部空隙及三维堆叠电池组侧面四周进行填充、固定和密封，以铝塑膜对电池进行封装，最终形成三维堆叠固态锂电池***。
如图2～6，示意了本实施例所制备的高强度结构化固态锂电池***的具体结构及重要结构细节示意图。提供基板薄膜1，在所述基板薄膜1上下面错位印刷负极集流体条2和正极集流体条3。其中，基板薄膜1的材料为聚苯乙烯(PS)，负极集流体条2为Cu，正极集流体条3为Al。
于所述基板薄膜1上，采用TGV穿孔技术以及热超声焊线工艺实现基板上下集流体条的跨层电气互联，同时又能有效避免单电池正负极相互短路；对应于负极集流体条2和正极集流体条3，在相应位置形成4、5两个通孔，在通孔4和5内填充高导电金属，同时预留好焊点。至此完成图示中6、7两个电路基板的整体制备过程。其中通孔4、5内填充的高导电金属为Al。
提供固态锂电池8～16，以所述6、7两个电路基板作为支撑骨架，将固态锂电池8～16与电路基板6、7进行三维堆叠组装。其中，所述固态锂电池8、9、10作为首层，他们的负极通过电路基板6上表面的负极集流体条连接导通；所述固态锂电池11、12、13作为中间层，他们的正极通过电路基板6下表面的正极集流体条连接导通，他们的负极通过电路基板7上表面的负极集流体条连接导通；所述固态锂电池14、15、16作为底层，他们的正极通过电路基板7下表面的正极集流体条连接导通。其中，固态锂电池8～16为规格统一的常规电池，但不对单电池具体相关参数作过分限制。图2、3、6中标号8～16所指固态锂电池为30-固态锂电池电芯，包括：27-固态锂电池电芯正极，28-固态锂电池电芯隔膜，29-固态锂电池电芯负极。
具体地，同一层单电池与电路基板之间的固定可以采用两种形式：一，通过粘结胶使单电池与基板之间实现强力粘结；二，通过构建限位结构将单电池镶嵌在电路基板上。
提供首层基板薄膜/正极集流体17和底层基板薄膜/负极集流体18，将所述首层固态锂电池8、9、10的正极与17连接导通，将所述底层固态锂电池14、15、16的负极与18连接导通。其中，所述基板薄膜/正负极集流体即为基板薄膜上单面印刷集流体，正极集流体为Al，负极集流体为Cu膜。
采用焊线工艺，通过金属焊线19、20、21、22分别连接导通电路基板6、7的集流体条及基板薄膜/集流体17、18。
具体地，所述金属焊线19一端与基板薄膜/正极集流体17上的焊点连接导通，所述金属焊线19另一端与电路基板6上表面预留的通孔焊点连接导通(焊点通过通孔内部的高导电金属填充物已与电路基板6下表面的正极集流体条形成连接导通)；所述金属焊线20一端与电路基板6下表面的正极集流体条的焊点连接导通，所述金属焊线20另一端与电路基板7上表面预留的通孔焊点连接导通(焊点通过通孔内部的高导电金属填充物已与电路基板7下表面的正极集流体条形成连接导通)；所述金属焊线21一端与基板薄膜/负极集流体18上的焊点连接导通，所述金属焊线21另一端与电路基板7下表面预留的通孔焊点连接导通(焊点通过通孔内部的高导电金属填充物已与电路基板7上表面的负极集流体条形成连接导通)；所述金属焊线22一端与电路基板7上表面的负极集流体条的焊点连接导通，所述金属焊线22另一端与电路基板6下表面预留的通孔焊点连接导通(焊点通过通孔内部的高导电金属填充物已与电路基板6上表面的负极集流体条形成连接导通)。所述焊线工艺可以采用热超声焊线工艺，所述金属焊线的长度可根据需要进行选择调整，此处不作过分限制。
进一步的，所述金属焊线19、20、21、22、23、24采用价格便宜的Cu线，以降低成本。
采用焊线工艺，通过金属焊线23、24分别从基板薄膜/正极集流体17和基板薄膜/负极集流体18引出三维堆叠电池***的正极和负极外电路接线。
采用高分子填充工艺，通过高分子填充物25对三维堆叠电池***的内部空隙及四周进行填充、固定和密封。其中，高分子填充物25为聚丙烯。
采用薄膜封装工艺，通过高水氧阻隔薄膜26对三维堆叠电池***进行全面封装。
通过以上实施例可见：本发明通过采用双面印制的电路基板，并在同层引入高分子填料分隔绝缘并固定单电池，使得单电池能够微型化、高度集成化、多功能化、一体化形成电池***，从而极大的提升了空间利用率进而为负载提供更大电流、电压与容量。此外，三维堆叠结构电池内部通过高分子填充物互相隔离，致使电芯具有相对独立的电流网络，降低了单个电池对整个电池***的影响，提升电池***在穿刺损伤、大电流冲击等极端情况下的安全性；并且本发明可直接采用不含有封装与集流体的电芯进行堆叠集成，进一步提升空间利用率。

Claims (7)

1.一种三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：包括电路基板、固态锂电池层、基板薄膜/正负极集流体和封装外壳；
所述电路基板为双面电路印刷基板，有n≥1个，电路基板的上下两面分别印制有对应于同层各个固态锂电池正/负极的图案化集流体，使得同一层各个固态锂电池的正极和正极、负极和负极分别在电路基板的上下两面内连通；电路基板两面的集流体上均设有金属化通孔，且金属化通孔设置于电路基板上下两面图案化集流体的错位处；
所述基板薄膜/正负极集流体为单面印刷基板，分为首层基板薄膜/正极集流体和底层基板薄膜/负极集流体，用于首层和底层电池的面内连接；
所述固态锂电池层有n+1层，每层最少2个固态锂电池，通过各电路基板将各固态锂电池层隔开，同层的各相邻固态锂电池间填充有高分子填料；各电路基板上下两侧的图案化集流体分别与对应接触侧的各固态锂电池正极或负极接触导通；
所述固态锂电池层与电路基板依次交替层叠设置，并以固态锂电池层为最外层，然后整个叠层结构通过封装外壳完成整个固态锂电池***的封装；首层电路基板的上集流体通过其金属化通孔与上一层高分子填料中的导线焊接实现与首层电池的基板薄膜/正极集流体的连通；首层电路基板的下集流体同样通过其金属化通孔与下一层高分子填料中的导线焊接与下一层电池的负极集流板连通，并依次循环向下连通各层的正负极集流板，直至连通到底层电池负极集流板，以完成整个电池***的三维堆叠集成；并且，首层电池的基板薄膜/正极集流体用导线引出作为整个固态锂电池***的正极，底层电池的基板薄膜/负极集流体用导线引出作为整个固态锂电池***的负极。
2.如权利要求1所述三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：所述高分子填料为环氧树脂、聚乙烯或聚丙烯。
3.如权利要求1所述三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：所述封装外壳为高水氧阻隔薄膜，采用薄膜封装工艺实现。
4.如权利要求1所述三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：所述导线材料为Al、Au、Ag、Cu或Ni。
5.如权利要求1所述三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：所述固态锂电池为没有封装外壳和集流体的电芯电池，以提高整个三维堆叠结构固态锂电池***的空间利用率。
6.如权利要求1所述三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：所述电路基板为图案化的高导电材料修饰的聚合物薄膜，其中正极侧图案化集流体导电材料为Al、Au或不锈钢，负极侧图案化集流体导电材料为Cu、Ni、Au或不锈钢，聚合物薄膜为聚酰亚胺、聚乙烯或聚苯乙烯。
7.如权利要求1所述三维堆叠结构的高强度结构化固态锂电池***，其特征在于：所述固态锂电池与电路基板之间的固定方式为粘结或构建两者之间的限位结构固定。
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