CN207719340U - 集流体结构、锂电池电芯及其锂电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池领域，具体包括集流体结构、锂电池电芯及其锂电池，其中所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构。本实用新型所提供的锂电池电芯及其锂电池可实现多个锂电池电芯之间串联或并联连接。通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯叠层制备，从而实现低成本全固态锂电池的大规模制备和推广。还可直接利用集流体作为锂电池的电极，从而简化所述锂电池的封装结构。

Description

集流体结构、锂电池电芯及其锂电池

【技术领域】

本实用新型涉及锂电池领域，特别涉及一种集流体结构、锂电池电芯及其锂电池。

【背景技术】

全固态锂电池是由于其安全性、循环性能优良等优点成为二次电池的重要发展方向，同时由于金属锂元素原子半径小、具有最低的电化学势，全固态锂电池相比其他钠离子电池具有更大的市场应用潜力。

目前锂电池电芯材料体系，能量密度只能达到250-300Wh/kg。其本质问题是电池电极材料限制，具体来说负极材料使用石墨或者C-Si负极，正极采用磷酸铁锂、三元材料和钴酸锂造成了上述结果。

现有基于固相烧结等方法的固态锂电池由于无法保证大面积材料制备的均匀性，无法根本解决锂枝晶的产生，其原因是无法保证电极表面的电场均匀分布，只能用于制备小面积电池样品。现有技术无法满足大面积全固态锂电池的制备需求。

上述问题限制了低成本全固态锂电池的大规模制备和推广。

【实用新型内容】

为克服现有无法实现低成本全固态锂电池的大规模制备和推广的问题，本实用新型提供了一种集流体结构、锂电池电芯及其锂电池。

本实用新型为解决上述技术问题提供一技术方案如下：一种集流体结构，其包括集流体，所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

本实用新型为解决上述技术问题提供又一技术方案如下：一种锂电池电芯，其包括第一集流体，该第一集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为该锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

优选地，所述柱状晶体正极层的厚度为10nm-100μm；所述柱状晶体正极层包括V、Mo、Mn、Ni、Fe、Co、Cr、Ti或Bi金属元素中一种或几种组合的金属氧化物和含锂金属氧化物。

优选地，所述锂电池电芯包括第二集流体以及形成在第二集流体一表面的负极层，该负极层包括锂硅碳复合负极层，该负极层面向所述柱状晶体正极层。

优选地，所述锂硅碳复合负极层包括沉积形成在所述负极集流体之上的硅锂复合，碳纳米颗粒复合在硅锂复合之内。

优选地，所述锂硅碳复合负极层朝向所述正极结构的表面形成一碳基材料层或所述锂硅碳复合负极层朝向所述第二集流体的表面形成一碳基材料层。

优选地，在所述柱状晶体正极层与所述锂硅碳复合负极层之间填充形成包覆所述柱状晶体的第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。

优选地，所述锂电池电芯包括形成在所述第一电解质层面向所述负极层的一面上的第二电解质层，所述第二电解质层的厚度为1-3000nm。

本实用新型为解决上述技术问题提供一技术方案如下：一种锂电池，其包括至少两个连续叠层设置的锂电池电芯，直接叠加设置的至少两个锂电池电芯之间共用一正负共极集流体，该正负共极集流板包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为其中一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

优选地，共用一正负共极集流体的两个锂电池电芯之间为串联或并联连接。

与现有技术相比，本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及其锂电池，具有如下的有益效果：

本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及锂电池，其中集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯叠层制备，从而实现大面积全固态锂电池的制备。

利用正负共极的集流体还可降低锂电池电芯、锂电池的整体厚度。进一步地，利用正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯之间为串联连接。当锂电池中锂电池电芯串联连接时，可直接利用集流体作为锂电池的电极，从而简化所述锂电池的封装结构。

此外，在本实用新型中利用具有柱状晶体结构的正极材料作为正极层，从而其所形成的完整的柱状晶体可以为锂离子在充放电的过程中提供畅通的扩散和迁移通道，柱状晶体目的是匹配高性能的负极材料以提高正极材料锂嵌入和脱出的效率。

在本实用新型中，所述锂电池电芯及锂电池可进一步采用在负极集流体面向正极结构的一面上形成的锂硅碳复合负极层。采用锂硅碳复合负极层可进一步提高锂电池的能量密度，从而获得高能锂电池电芯及其锂电池。

本实用新型所提供的锂电池电芯及锂电池中，还包括一碳基材料层，所述碳基材料层可形成于锂硅碳复合负极层与所述第二集流体之间形成一碳基材料层或所述碳基材料层可形成于所述锂硅碳复合负极层朝向所述正极结构的一面上。所述碳基材料层的设置可增强导电性，从而提高所述锂电池电芯及锂电池的稳定性和安全性。

本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述柱状晶体正极层与所述锂硅碳复合负极层之间填充形成第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。所述第一电解质层可包覆所述柱状晶体正极层，因此具有较大表面积，故形成第一电解质层可为锂电池中的电解质与正极层之间提供更多的反应界面，有利于电池充放电过程的完全反应。

本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述第一电解质层的表面还可形成一第二电解质层，可进一步提高所述第一电解质层的平整度及负极表面电场分布均匀度，同时也可增加第一电解质层的硬度，防止正负极接触而造成短路。

【附图说明】

图1是本实用新型第一实施例所提供的集流体结构的层结构示意图。

图2是本实用新型第二实施例所提供的锂电池电芯的层结构示意图。

图3是图2中所示另一实施方式的锂电池电芯的层结构示意图。

图4A是本实用新型第三实施例所提供的锂电池电芯其中一具体实施方式的层结构示意图。

图4B是本实用新型第三实施例所提供的锂电池电芯另一一具体实施方式的层结构示意图。

图5是本实用新型第四实施例所提供的锂电池的结构示意图。

图6是本实用新型第五实施例所提供的锂电池的结构示意图。

图7是本实用新型第六实施例所提供的锂电池的结构示意图。

图8是本实用新型第七实施例所提供的锂电池的制备方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型的第一实施例提供一种集流体结构100，所述集流体结构100包括一集流体101，所述集流体101包括两个相对的主表面109，其中一个主表面109上形成柱状晶体正极层102，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面109上形成负极层103，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

本实用新型此处及以下所有实施例中，针对所述集流体材质的限定如下：所述集流体可包括Cu、Al、Ni、Ag、Au、Cr、Ta、Ti、Mo等其它金属中的一种或几种的组合所获得的单质金属或金属合金。

请参阅图2，本实用新型的第二实施例提供一种锂电池电芯10，其包括第一集流体11及第二集流体12，其中，所述第一集流体11包括两个相对的主表面110，其中一个主表面110上形成正极层111，以作为所述锂电池电芯10的正极结构，另一主表面上形成负极层112，以作为另一锂电池电芯10的负极结构。所述第二集流体12同样也包括两个相对的主表面120，其中一个主表面120上形成负极层121，以作为所述锂电池电芯10的负极结构，而在所述第二集流体12的另一主表面上形成正极层122，以作为另一锂电池电芯10的正极结构。

在本实用新型中，所述第一集流体11与所述第二集流体12的厚度为10nm-100μm，具体地，所述第一集流体11与所述第二集流体12的厚度还可为10nm、15nm、20nm、24nm、56nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、76μm、89μm或100μm。

在本实用新型一些具体的实施例中，上述正极层111可包括柱状晶体，所述正极层111的厚度为10nm-100μm；具体地，所述正极层111的厚度可进一步为：10nm、15nm、20nm、24nm、56nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、76μm、89μm或100μm。

上述负极层111的厚度可为10nm-100μm，具体地，所述负极层111的厚度可进一步为：10nm、15nm、20nm、24nm、56nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、76μm、89μm或100μm。

在本实用新型中，所述柱状晶体的材质还可包括：包括V、Mo、Mn、Ni、Fe、Co、Cr、Ti或Bi等金属元素中一种或几种组合的金属氧化物和含锂金属氧化物。所述正极层111包括至少一层柱状晶体。具体地，柱状晶体可为V₂O₅柱状晶体、V₆O₁₃柱状晶体、MnO₂柱状晶体、Mo₂O₃柱状晶体或Co_1.5V_0.5O₃柱状晶体等等。

具体地，在本实用新型另一些具体的实施例中，所述正极层111可包括磷酸铁锂、钴酸锂或者三元正极材料等的柱状晶体。

在所述正极层111中，所述柱状晶体呈规律排布，因此，可为锂离子在充放电的过程中提供通畅的扩散和迁移通道，以利于锂的嵌入及脱出，从而改善锂电池的倍率特性，并可使所述正极层111可具有较高的容量密度。

具体地，相邻设置的所述柱状晶体之间无间隙致密排布。在同样面积的范围内可设置的所述柱状晶体的数量越多，则可进一步提高由其所制备获得的正极结构的容量密度。

本实用新型此处及以下所述柱状晶体的尺寸是指沿所述正极结构厚度方向的尺寸大小。所述柱状晶体的尺寸为1nm-100μm。在本实用新型一些具体的实施例中，所述柱状晶体的尺寸具体为1nm、3nm、5nm、7nm、10nm、17nm、23nm、26nm、46nm、57nm、101nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm、50μm、61μm、76μm、89μm或100μm。

如图3中所示，在本实用新型一些具体实施方式中，所述柱状晶体正极层111采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积以及原子层沉积等PVD技术在第一集流体11其中一主表面上沉积形成。

同样地，在第二集流体12上也可以同样的方式沉积形成另一个锂电池电芯10的柱状晶体的正极层122。

在本实用新型一些具体的实施例中，上述负极层112可进一步包括锂硅碳复合负极。以所述锂硅碳复合负极材料为所述负极层112时，所述负极层112的厚度为2nm-20μm，具体地，所锂硅碳复合负极层的厚度可进一步为：2nm、4nm、7nm、10nm、20nm、67nm、250nm、345nm、456nm、778nm、983nm、1μm、3μm、4.5μm、5μm、7μm、11μm、15μm或20μm。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述锂硅碳复合负极层可采用磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积以及原子层沉积等PVD技术沉积形成硅锂复合，进一步采用热压技术将碳纳米颗粒复合在硅锂复合之内制备而成。

具体地，在进行热压之前，可以将碳纳米颗粒溶解在锂盐溶液中形成涂覆浆料后，涂覆于锂-硅复合负极表面，然后用耐高温腐蚀基板对其加热和加压，以使浆料热压进入锂-硅合金之内，在高温的作用下，浆料溶液会发散尽，从而获得所需的锂硅碳复合负极层。

进一步如图2中所示，在本实施例的第一具体实施方式中，在所述锂电池电芯10中，在所述柱状晶体正极层111与所述锂硅碳复合负极层121之间填充形成包覆所述柱状晶体表面的第一电解质层13，所述第一电解质层13的厚度为1nm-50μm。具体地，所述第一电解质层13的厚度可为1nm、3nm、5nm、7nm、10nm、15nm、26nm、31nm、46nm、57nm、101nm、147nm、250nm、356nm、567nm、778nm、983nm、1μm、19μm、31μm、45μm或50μm。

所述第一电解质层13的材质包括钙钛型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质、LiGePS型硫化物固态电解质、LiSiPS型硫化物固态电解质或LiSnPS型硫化物固态电解质一种或几种的组合。

与现有技术中，直接在正负极材料之间填充电解质材料不同，由于在本实施方式中，所述正极层11采用柱状晶粒，其具有较大表面积，故形成第一电解质层13可为锂电池中的电解质与正极层111之间提供更多的反应界面，因此，有利于电池充放电过程的完全反应。进一步地，所述第一电解质层13厚度较大时，所述第一电解质层13的表面均匀，从而可保证负极层121的表面电场也均匀分布。

请继续参阅图3，在本实施例的第二具体实施方式中，其与上述第一具体实施方式的区别在于：当所述第一电解质层13表面不均匀时，则在所述锂电池电芯10中还包括形成在所述第一电解质层13面向所述负极层121的一面上的第二电解质层14，所述第二电解质层14的厚度为1-3000nm。具体地，所述第二电解质层14的厚度为1nm、3nm、5nm、7nm、10nm、17nm、23nm、26nm、46nm、57nm、101nm、143nm、350nm、567nm、778nm、983nm、1000nm、1500nm、2100nm、2189nm或3000nm。

在本实用新型中，所述第二电解质层14的设置是为了填补所述第一电解质层13厚度分布不均匀的部分，从而提高所述负极层121的表面电场分布的均匀性，通过设置所述第二电解质层14，还可进一步增加电解质层的硬度，防止正负极接触造成短路。

请继续参阅图4A及图4B，本实用新型的第三实施例提供一种锂电池电芯20，本实施例与上述第二实施例的区别在于：所述锂电池电芯20还包括一碳基材料层29。所述碳基材料层29具体为石墨薄层、碳纳米管、石墨烯薄膜层等，在此仅作为实例，不作为本实用新型的限定。

所述碳基材料层29的作用是改善负极表面的电场分布，增强导电性，有助于锂负极的嵌入或脱出，以及可避免锂负极形成锂枝晶。

如图4A中所示，在本实用新型一些实施例中，可在所述负极层221面向第一电解质层23的表面形成所述碳基材料层29。

如图4B中所示，在本实用新型另外的一些实施例中，所述碳基材料层29可设置在所述负极层221与第二集流体22之间。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述碳基材料层29是通过热压工艺形成于负极层221面向第一电解质层23或面向所述第二集流体22的表面，因此，所述碳基材料层29会在所述负极层221的内部实现一定深度的梯度碳材料分布，并在一定程度上对负极层221形成包覆和支撑，增强负极层221的强度，避免负极层221崩塌。

在本实用新型一些具体的实施例中，所述碳基材料层29还可通过涂布的方式在所述负极层221面向第一电解质层23或面向所述第二集流体22的表面上形成所需要厚度的碳基材料层29。

请参阅图5，本实用新型第四实施例提供一锂电池30，所述锂电池30可包括两个连续叠层设置的第一锂电池电芯301及第二锂电池电芯302。第一锂电池电芯301及第二锂电池电芯302之间共用一正负共极集流体31，该正负共极集流体31包括两个相对的主表面310，其中一个主表面310上形成柱状晶体正极层311，以作为第一锂电池电芯301的正极结构，另一主表面310上形成负极层312，以作为第二锂电池电芯302的负极结构。

继续如图5中所示，在所述第一锂电池电芯301中还包括负极集流体32，所述第二锂电池电芯302包括正极集流体35。其中，负极集流体32上面向柱状晶体正极层311一侧形成有负极层321，所述正极集流体35朝向所述正负共极集流体31的表面设有正极层351，其中，有关负极层321及正极层351的相关限定如上述第二实施例及第三实施例中所示，在此不再赘述。

在本实施例的一些具体实施方式中，所述第一锂电池电芯301中还包括设置在柱状晶体正极层311及负极层321之间填充形成的第一电解质层33、以及形成在第一电解质层33面向所述负极层312的表面上的第二电解质层34。所述第二锂电池电芯302还包括在正极层351及负极层312之间填充形成的第一电解质层33，以及形成在第一电解质层33面向所述负极层321的表面上的第二电解质层34，所述负极层312朝向所述第二电解质层34的表面还可进一步包括一碳基材料层39。

在本实用新型另外的实施例中，所述第一锂电池电芯301及所述第二锂电池电芯302可为上述第二实施例或第三实施例中任一种锂电池电芯10或锂电池电芯20，其具体层结构可依据实际电池性能需求做调整。上述有关层结构的限定仅作为举例，不作为本实用新型的限定。

在本实用新型另外的一些实施例中，当所述锂电池30中还可包括两个以上的锂电池电芯301或302，至少部分锂电池电芯301或302通过连续叠层设置形成一个整体，设置在连续叠层设置的中间的锂电池电芯301或302共用集流体，而设置在两端的锂电池电芯10的集流体仅作为正极集流体或负极集流体。

具体请参阅图6，本实用新型的第五实施例提供一锂电池40，所述锂电池40包括多个锂电池电芯10，所述锂电池40可通过逐层叠加的方式制成，其具体锂离子单电芯10的叠合数量不受限制。

所述锂离子单电芯10包括叠合设置的第一集流体41、正极层44、固态电解质层43、负极层45及第二集流体42。相邻设置的锂离子单电芯10通过共用一个正极集流体41或负极集流体42叠合在一起。

如图6中所示，相邻设置的两个锂电池电芯10的叠加处共用第二集流体42，即第二集流体42为正负共极集流体。如图中所示，设置在第二集流体42两侧的分别为正极层44及负极层45。如图6中所示，多个锂电池电芯40之间可为串联连接。当锂电池中锂电池电芯串联连接时，可直接利用集流体作为锂电池的电极，从而简化所述锂电池的封装结构。

请参阅图7，在本实用新型的第六实施例提供一锂电池50，在本实施例中，所述锂电池50中包括5个锂电池电芯，分别为依次叠层设置的第一锂电池电芯501、第二锂电池电芯502、第三锂电池电芯503、第四锂电池电芯504及第五锂电池电芯505。如图7中所示，以上述多个锂电池电芯均可包括：第一集流体51、正极层54、固态电解质层53、负极层55及第二集流体52。

如图7中所示，第一锂电池电芯501与第二锂电池电芯502之间共用第二集流体52，所述第二集流体52的两个相对的主表面上均设置负极层55，可见，第一锂电池电芯501与第二锂电池电芯502之间可为并联连接。

在第二锂电池电芯502与第三锂电池503之间，同样也共用第二集流体52，而在所述第二集流体52的两个相对的主表面上分别设置正极层54及负极层55，可见，第二锂电池电芯502与第三锂电池电芯503之间可为串联连接。

进一步地，在第三锂电池电芯503的第二集流体532与第四锂电池电芯504的第一集流体541叠合设置，且第一集流体532与第二集流体541分别表示为所述第三锂电池电芯503及所述第四锂电池电芯504的正极集流体或负极集流体。可见，所述第三锂电池电芯503与所述第四锂电池电芯504可通过外界电路形成并联连接关系。

在本实施例中，上述正极层54与负极层55、第一集流体51及第二集流体52的相对位置可调整。

图7中所示仅为实例，在实际的锂电池50中，其具体连接方式可依据实际锂电池的性能要求做调整，在此不作为本实用新型的限定。

请继续参阅图8，本实用新型的第七实施例提供一锂电池的制备方法S10，其中一个具体实施方式包括如下的步骤：

步骤S11，提供一第一集流体，在第一集流体的其中一面之上形成柱状晶体正极层；

步骤S12，在柱状晶体正极层远离第一集流体的表面通过包覆形成第一电解质层；

步骤S13，在所述第一电解质层的表面形成第二电解质层；

步骤S14，在第二电解质层远离所述第一电解质层的表面形成碳基材料层；

步骤S15，在所述碳基材料层远离所述第二电解质层的表面形成负极层；

步骤S16，在所述负极层远离所述碳基材料层的表面形成第二集流体。

至此，上述步骤S11至步骤S16完成了单个锂电池电芯的制备。

在本实施例另外的一些实施方式中，上述步骤S14-步骤S16可为：

步骤S14b：在第二电解质层远离所述第一电解质层的表面形成负极层；

步骤S15b，在所述负极层远离所述第二电解质层的表面形成碳基材料层；

步骤S16b，在所述碳基材料层远离所述碳基材料层的表面形成第二集流体。

为了继续获得多个锂电池电芯叠加的锂电池，在本实施例一些具体的实施方式中，上述步骤S16或步骤S16b之后还可包括如下的步骤：

步骤S17a，在第二集流体与设有负极层相对的一面上沉积形成另一锂电池电芯的正极层。

步骤S18a，重复上述步骤S12-步骤S16或步骤S12-步骤S16b，直至锂电池中所包括的锂电池电芯数量达到预定要求。

步骤S19a，对连续叠层设置的多个锂电池电芯进行封装，以获得所需的锂电池。

在本实施例另一些具体的实施方式中，上述步骤S16之后还可包括如下的步骤：

步骤S17b，在第一集流体设有正极层相对的一面上形成另一个锂电池电芯的负极层；

步骤P18b，在所述负极层之上形成碳基材料层；

步骤P19b，在碳基材料层远离所述负极层的一面上依次形成第二电解质层、第一电解质层；

步骤P20b，在第一电解质层远离所述负极层的表面依次形成正极层、第二集流体；

步骤S21b，在所述第二集流体设有正极层的相对一面上沉积另一锂电池电芯的负极层。

步骤P22b，重复上述步骤P18b-步骤P21b，直至锂电池中所包括的锂电池电芯数量达到预定要求。

步骤S23b，对连续叠层设置的多个锂电池电芯进行封装，以获得所需的锂电池。

具体地，有关上述步骤中针对第一集流体、第二集流体、正极层、负极层、碳基材料层、第一电解质层或第二电解质层厚度、材质选择如上述第二实施例、第三实施例中所述，在此不再赘述。

特别地，在上述锂电池的制备方法S10中，在第一集流体和/或第二集流体之上形成正极层或负极层之前，均需要对第一集流体和/或第二集流体之上表面进行平整化处理，以保证集流体表面平整、没有氧化物表面层。其中，平整化处理可采用化学机械抛光工艺，一磨料加抛光机进行局部抛光和研磨。

需要特别说明的是，制备所述第一电解质层及所述第二电解质层所使用的固态电解质包括钙钛型固态电解质、NASICON型固态电解质、石榴石型固态电解质、LiGePS型硫化物固态电解质、LiSiPS型硫化物固态电解质或LiSnPS型硫化物固态电解质一种或几种的组合。

在本实用新型一些具体的实施例中，上述步骤S11中，在集流体之上形成柱状晶体正极层可利用磁控溅射掠入射的方法制备：

(1)将基片置入磁控溅射腔体中，设置垂直基片方向和垂直靶材方向的夹角大于45°，基底水冷保持室温；

(2)抽真空至10^-5Pa，通入氩气，调节腔体工作气压至2Pa开始沉积磷酸铁锂正极材料；

(3)同时基片自转，沉积50分钟后，形成2微米柱状晶体。

上述针对柱状晶体正极层制备方法仅作为示例，不作为本实用新型的限定。

在本实用新型第八实施例中进一步提供一种锂电池的制备方法P60，其与上述第七实施例的区别在于：其先在一集流体结构的上下表面分别形成正极层及负极层。

所述锂电池的制备方法P60具体包括如下的步骤：

步骤P11，提供一第一集流体，在第一集流体的其中一面之上沉积柱状晶体正极层，在集流体的另一面沉积锂硅碳复合负极层；

其中，沉积柱状晶体正极层与沉积锂硅碳复合负极层可同时或依次进行。

在步骤P11之后，可细分为如下两种方式：

第一种为在沉积有柱状晶体正极层的一面作为基材层，并在其上继续形成所需功能层，具体步骤包括：

步骤P12a，依次在所述柱状晶体正极层之上形成第一电解质层、第二电解质层；

步骤P13a，在第二电解质层远离所述正极层的一面上形成碳基材料层；

步骤P14a，在碳基材料层远离所述第二电解质层的面上形成负极层。

步骤P15a，在负极层远离所述碳基材料层的面上形成第二集流体。

第二种为在沉积有锂硅碳复合负极层的一面作为基材层，并在其上继续形成所需功能层，具体步骤包括：

步骤P12b，在所述锂硅碳复合负极层之上形成碳基材料层；

步骤P13b，在碳基材料层远离所述负极层的一面上依次形成第二电解质层、第一电解质层；

步骤P14b，在第一电解质层远离所述负极层的表面依次形成正极层、第二集流体；

上述步骤P11之后，在沉积有柱状晶体正极层的一面逐层沉积所需功能层或在沉积有柱状晶体正极层的一面逐层沉积所需功能层的先后顺序不受限制，可依次进行，也可同时进行。

进一步地，上述步骤P12a-步骤P15与步骤P12b-步骤P14b可重复进行，以至完成所需锂电池电芯数量的锂电池而停止。

在本实施中，所述碳基材料层也可形成在所述锂硅碳复合负极层远离所述第二电解质层的一面之上，其具体的位置可依据实际的需求做调整，在此不作为本实用新型的限定。

具体地，有关上述步骤中针对第一集流体、第二集流体、正极层、负极层、碳基材料层、第一电解质层或第二电解质层厚度、材质选择如上述第二实施例、第三实施例中所述，在此不再赘述。

与现有技术相比，本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及其锂电池，具有如下的有益效果：

(1)本实用新型所提供的集流体结构、锂电池电芯及锂电池，其中集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯叠层制备，从而实现大面积全固态锂电池的制备。

利用正负共极的集流体还可降低锂电池电芯、锂电池的整体厚度。进一步地，利用正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯之间串联连接。当锂电池中锂电池电芯串联连接时，可直接利用集流体作为锂电池的电极，从而简化所述锂电池的封装结构。

此外，在本实用新型中利用包括柱状晶体的正极材料作为正极层，从而可以为锂离子在充放电的过程中提供畅通的扩散和迁移通道，柱状晶体目的是匹配高性能的负极实现正极材料的最大利用，提高锂嵌入和脱出的效率。

(2)在本实用新型中，所述锂电池电芯及锂电池可进一步采用直接在负极集流体之上形成的锂硅碳复合负极层。采用锂硅碳复合负极层可进一步提高锂电池的能量密度，从而获得高能锂离子芯及其锂电池。

(3)本实用新型所提供的锂电池电芯及锂电池，其还包括形成在锂硅碳复合负极层朝向所述正极结构的表面或在所述锂硅碳复合负极层远离所述正极结构的表面(即所述锂硅碳复合负极层朝向所述第二集流体的表面)上形成一碳基材料层。所述碳基材料层的设置可防止锂枝晶的出现，从而提高所述锂电池电芯及锂电池的稳定性和安全性。

(4)本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述柱状晶体正极层与所述锂硅碳复合负极层之间填充形成第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。所述第一电解质层可包覆所述柱状晶体正极层，因此具有较大表面积，故形成第一电解质层可为锂电池中的电解质与正极层之间提供更多的反应界面，有利于电池充放电过程的完全反应。

(5)本实用新型所述锂电池电芯及锂电池中在所述第一电解质层的表面还可形成一第二电解质层，可进一步提高所述第一电解质层的平整度及负极表面电场分布均匀度，同时也可增加第一电解质层的硬度，防止正负极接触而造成短路。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集流体结构，其特征在于：包括集流体，所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

2.一种锂电池电芯，其特征在于：其包括第一集流体，该第一集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为该锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

3.如权利要求2中所述锂电池电芯，其特征在于：所述柱状晶体正极层的厚度为10nm-100μm；所述柱状晶体正极层包括V、Mo、Mn、Ni、Fe、Co、Cr、Ti或Bi金属元素中一种或几种组合的金属氧化物和含锂金属氧化物。

4.如权利要求2中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂电池电芯包括第二集流体以及形成在第二集流体一表面的负极层，该负极层包括锂硅碳复合负极层，该负极层面向所述柱状晶体正极层。

5.如权利要求4中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂硅碳复合负极层包括沉积形成在所述负极集流体之上的硅锂复合，碳纳米颗粒复合在硅锂复合之内。

6.如权利要求5中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂硅碳复合负极层朝向所述正极结构的表面形成一碳基材料层或所述锂硅碳复合负极层朝向所述第二集流体的表面形成一碳基材料层。

7.如权利要求4中所述锂电池电芯，其特征在于：在所述柱状晶体正极层与所述锂硅碳复合负极层之间填充形成包覆所述柱状晶体的第一电解质层，所述第一电解质层的厚度为1nm-50μm。

8.如权利要求7中所述锂电池电芯，其特征在于：所述锂电池电芯包括形成在所述第一电解质层面向所述负极层的一面上的第二电解质层，所述第二电解质层的厚度为1-3000nm。

9.一种锂电池，其特征在于：其包括至少两个连续叠层设置的锂电池电芯，直接叠加设置的至少两个锂电池电芯之间共用一正负共极集流体，该正负共极集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为其中一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。

10.如权利要求9中所述锂电池，其特征在于：共用一正负共极集流体的两个锂电池电芯之间为串联或并联连接。