全固态薄膜锂离子电池

全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展全固态薄膜锂离子二次电池具有较高的安全性、重量较轻、能量密度较高、而且使用寿命较长，在一些微电池系统领域有着较好作用，具有较高的应用价值。

在许多信息工业以及一些微型加工工业中，基于工业特性，对电池系统提出了较高要求，一般的电池往往不具有较高的安全性，而且能量密度不足，难以保障工业的顺利进行。

全固态薄膜锂离子二次电池则能较好解决工业操作过程中的电池问题，具有较好作用。

本文主要对全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展进行分析，提出了一些建议。

标签：全固态薄膜锂离子二次电池；研究；进展在社会经济的推动下，我国的电池行业得到了较好发展，全固态薄膜锂离子二次电池也有了较大进步，在实际应用中发挥出了较好作用。

在电池方面，只有具备较高的能量密度、安全性、可靠性等要素才能更好在工业各环节操作中发挥重要作用，但是很多电池并不具備较好的性能，在应用过程中容易出现多种隐患。

全固态薄膜锂离子二次电池则具有较高性能、使用寿命长，因此，技术人员可以将其应用微电池系统中，能够起到较好作用。

1 全固态薄膜锂离子二次电池分析在实际生活中，薄膜锂离子结构的设计质量与全固态薄膜锂离子二次电池的整体性能有着紧密联系，如果结构设计质量不高，将直接对全固态薄膜锂离子二次电池的使用寿命、能量密度等优势有着重大影响，因此，基于薄膜锂离子结构设计的重要性，技术人员必须对其结构进行有效优化，这样才能更好保障全固态薄膜锂离子二次电池的应用性能。

在实际情况中，薄膜锂离子结构的种类较多，一些技术人员设计出了电池叠层结构，在这种结构中，需在衬底中对阴阳极电流收集极薄膜进行沉积，主要为两层；之后再对阴极进行沉积；然后对固体电解质以及阳极薄膜进行沉积，最后对保护层进行涂抹，以保障全固态薄膜锂离子二次电池的正常运作。

有些技术人员对薄膜锂离子电池结构进行了简化，在对相应的薄膜电池材料进行沉积后，设计了两个引线端子，方便薄膜电池进行连接，这种结构对电池的有效面积进行了扩大，对全固态薄膜锂离子二次电池的性能进行了提高。

全固态锂离子电池的研究与应用随着环保意识的不断提高和新能源发展的加速推进，电动汽车已经成为了未来的发展方向。

然而，电池作为电动汽车的重要组成部分，其性能和安全性问题一直是制约电动汽车发展的瓶颈之一。

人们普遍认为，全固态锂离子电池有望成为下一代电池的发展方向，因其优异的安全性和高容量的特点，已经在研究和应用方面取得了不小的进展。

一、全固态锂离子电池的定义和特点全固态锂离子电池是一种由固态电解质和固态正负极组成的电池，其电解质和电极均采用固态材料，因此具有很高的安全性和稳定性。

相比于传统锂离子电池，全固态锂离子电池具有以下特点：1. 高能量密度固态电解质具有较高的离子导电性能，可以大大提高电池的能量密度，使得电池能够存储更多的电能，从而提高了电池的使用时间。

2. 高安全性由于全固态锂离子电池采用固态材料，其结构更加稳定，可以有效降低电池的泄漏和起火等安全隐患，使得电池更加安全可靠。

3. 高温性能固态材料具有较高的熔点和热稳定性，可以大大提高电池的耐高温性能，减少了在高温环境下电池的衰减和损伤。

二、全固态锂离子电池的研究进展目前，全固态锂离子电池的研究正在逐步深入，主要集中在以下方面：1. 固态电解质的制备固态电解质是全固态锂离子电池的关键组成部分，其离子导电性能和稳定性直接决定了电池的性能。

因此，固态电解质的制备是全固态锂离子电池研究的重点之一。

目前，研究人员主要利用化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和固相反应等方法制备固态电解质。

2. 固态电极的设计与制备固态电极是全固态锂离子电池的另一重要组成部分，其材料选择、结构设计和制备工艺都对电池性能产生了重要影响。

近年来，研究人员对固态电极的材料、结构和性能进行了大量的研究，已经取得了一定的进展。

3. 电池设计和性能测试全固态锂离子电池的研究不仅需要关注电解质和电极的制备，还需要对电池的设计和性能进行全面的测试和研究。

目前，研究人员已经开发了很多种测试方法和设备，用于测试全固态锂离子电池的能量密度、循环寿命、热稳定性等关键性能指标。

专利名称：全固态薄膜锂离子电池的制备方法及全固态薄膜锂离子电池
专利类型：发明专利
发明人：夏晖,孙硕,夏求应,昝峰,徐璟,岳继礼
申请号：CN201810129973.3
申请日：20180208
公开号：CN108232320A
公开日：
20180629
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种全固态薄膜锂离子电池的制备方法及全固态薄膜锂离子电池，涉及全固态薄膜锂电池技术领域。

该方法包括以下步骤：(a)采用涂膜方式在正极集流体上制备正极薄膜；(b)在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜；(c)在电解质薄膜基础上制备负极薄膜和负极集流体薄膜，得到全固态薄膜锂离子电池。

该方法以涂膜方式制备正极薄膜缓解了磁控溅射制备正极薄膜效率低的缺陷，有利于提高单体电池容量，进而在正极薄膜基础上采用物理气相沉积方式制备电解质薄膜，缓解了全固态电池存在正极与电解质之间的界面以及电解质离子电导率低的问题，全固态薄膜锂离子电池制备方法效率高，得到的单体电池容量高。

申请人：天津瑞晟晖能科技有限公司,南京理工大学北方研究院
地址：300000 天津市河西区怒江道8号307室
国籍：CN
代理机构：北京超凡志成知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：李进
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LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用胡雪晨;夏求应;岳钒;何欣怡;梅正浩;王金石;夏晖;黄晓东【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2024(40)2【摘要】全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。

负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。

现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。

为此,本文系统研究了LiNbO_(3)薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO_(3)薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^(-1))、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^(-1))和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^(-8)S·cm-1)。

在此基础上,基于LiNbO_(3)薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO_(3)|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^(-2))、良好的倍率(30μA·cm^(-2)下比容量1.9μAh·cm^(-2))及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率为86.4%)。

此外,该电池表现出优秀的高温性能,连续在100℃下工作近200 h的容量保持率高达95.6%。

研究表明:LiPON|LiNbO_(3)界面不论在充放电循环还是高温下均非常稳定,这有助与提升全电池综合性能。

【总页数】7页(P89-95)【作者】胡雪晨;夏求应;岳钒;何欣怡;梅正浩;王金石;夏晖;黄晓东【作者单位】东南大学集成电路学院;南京理工大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】O646【相关文献】1.全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料的研究进展2.全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料的研究进展3.高端耐用全固态锂电池Sn-Ni合金负极薄膜材料制备及其电化学性能研究4.水利水电工程中堤坝渗漏原因以及防渗加固技术探讨5.硅碳复合薄膜作为锂离子电池负极材料的电化学性能及储锂机理因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

论 著8全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展耿利群任岳*朱仁江陈涛（重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047）摘 要：本文综述了全固态薄膜锂离子二次电池的研究进展，主要阐述了薄膜锂电池的结构设计以及正极、负极和固体电解质材料研究现状，并对其今后的发展趋势及研发热点进行了展望。

关键词：全固态薄膜锂离子二次电池；固体电解质；电池结构DOI：10.3969/j.issn.1671-6396.2013.01.0041 引言随着电子信息工业和微型加工技术快速发展，对其所需的微型能源则提出了特殊微型化的要求。

其中全固态薄膜锂离子二次电池因其高的能量密度、强的安全性、长的循环寿命、宽的工作电压和重量轻等优点，成为微电池系统需求的最佳选择[1]。

本文主要介绍了全固态薄膜锂离子二次电池的关键性薄膜材料及电池结构的研究现状，并对其的开发应用及研究前景作了分析。

2 全固态薄膜锂离子二次电池结构的研究薄膜电池结构的设计，对整个电池性能将产生直接的影响；同样对提高电池的能量密度、循环寿命和锂离子的传输速率也起到至关重要的作用。

所以优化薄膜电池结构的设计，则是对构造高性能薄膜锂离子电池做到了强有力的支撑。

1993年美国橡树岭国家实验室（ORNL）Bates等[2]研制出了一种经典的薄膜锂离子电池叠层结构（见图1）。

在衬底上先沉积两层阴阳极电流收集极薄膜，而后依次沉积阴极、固体电解质和阳极薄膜，最后在薄膜电池外表面上涂一层保护层，以此来防止阳极上金属锂和空气中的一些物质发生化学反应。

图1 薄膜锂离子电池结构剖面示意图Baba等[3]研发出另一种典型的薄膜锂离子电池结构（见图2）。

其较图1薄膜锂电池结构设计更为简单，制作更为容易。

在不锈钢衬底上依次沉积各层薄膜电池材料，而在图示中有两个引线端子则是为了便于薄膜电池的连接使用。

这种结构设计很好地提高了整个电池的有效面积，进而也极大地改善了薄膜电池的性能。

Nakazawa等[4]利用直流溅射和射频溅射的方法，研制出一种“直立型”全固态薄膜锂离子电池结构（见图3）。

LiPON固态电解质与全固态薄膜锂离子电池制备及特性探究随着电池技术的不息进步，人们对能源存储设备的要求也越来越高。

传统液态电池电解液存在燃烧和泄漏等安全隐患，同时液态电解质也会造成电池体积较大、能量密度低等问题。

因此，探究人员开始将目光聚焦于全固态电池，其中LiPON固态电解质作为最重要的组成部分之一，具有重要的探究意义。

LiPON （lithium phosphorus oxynitride）是一种典型的固态电解质，它被广泛应用于锂离子电池、全固态薄膜电池等多种能源存储装置中。

LiPON的导电性能优异，能够保证电荷的快速传输，同时能够有效隔离阳极和阴极，提高电池的安全性能。

此外，LiPON还具有较高的化学稳定性和热稳定性，能够在高温环境下保持良好的电化学性能，延长电池的寿命。

制备全固态薄膜锂离子电池的关键是制备优质的LiPON固态电解质。

目前，制备LiPON固态电解质主要有物理气相沉积法、离子束沉积法、溅射法等。

这些方法能够获得具有较高导电性能和较好化学稳定性的LiPON薄膜。

物理气相沉积法是一种常用的制备LiPON薄膜的方法。

该方法通过将固态源材料加热，使其蒸发，然后沉积在衬底上形成薄膜。

离子束沉积法是一种较新的制备技术，该方法利用离子束在材料表面产生化学反应，生成所需的LiPON薄膜。

溅射法是一种常用的制备薄膜的方法，该方法通过将固态材料溅射到衬底上，形成所需的薄膜。

制备过程中的关键参数如沉积温度、沉积速率等也对最终的LiPON薄膜性能有显著影响。

因此，探究人员需要进一步优化制备过程，以获得更高质量的LiPON固态电解质。

除了制备LiPON固态电解质，探究人员还对全固态薄膜锂离子电池的性能进行了探究。

试验结果表明，全固态薄膜锂离子电池具有较高的能量密度、良好的循环性能和较长的使用寿命。

与传统液态电池相比，全固态薄膜锂离子电池具有更低的内阻、更快的充放电速率和更低的自放电率。

然而，全固态薄膜锂离子电池仍面临着一些挑战。

全固态锂离子电池的工作原理首先，我们来看一下全固态锂离子电池的构造。

它由正极、负极和固态电解质组成。

正极一般采用锂金属或锂离子化合物，负极则使用碳材料或锂钛酸盐等。

固态电解质通常是由无机固体材料构成，如氧化物、硫化物或磷酸盐等。

在充放电过程中，全固态锂离子电池的工作原理如下：充电过程：1. 当电池处于放电状态时，锂离子从正极释放出来，经过固态电解质向负极移动。

2. 在负极，锂离子被负极材料的结构吸附和嵌入，形成锂金属或锂离子化合物。

3. 充电时，外部电源施加电压，使得锂离子从负极脱嵌，并通过固态电解质移动回正极。

4. 在正极，锂离子被正极材料的结构吸附和嵌入。

放电过程：1. 当电池处于充电状态时，外部电源施加电压，使得锂离子从正极脱嵌，并通过固态电解质移动到负极。

2. 在负极，锂离子被负极材料的结构吸附和嵌入，形成锂金属或锂离子化合物。

3. 放电时，锂离子从负极脱嵌，并通过固态电解质移动回正极。

4. 在正极，锂离子被正极材料的结构吸附和嵌入。

全固态锂离子电池的工作原理可以从以下几个方面解释：1. 固态电解质的优势，固态电解质具有高离子导电性、抗氧化性和稳定性等优势，能够有效阻止锂离子和电解质之间的反应，提高电池的安全性和循环寿命。

2. 锂离子的嵌入和脱嵌，在充放电过程中，锂离子通过嵌入和脱嵌的方式在正负极材料中进行反应，实现了电能的储存和释放。

3. 正负极材料的选择，正极材料需要具有高容量和良好的电化学性能，如锂离子嵌入和脱嵌反应的可逆性；负极材料需要具有高的锂离子嵌入和脱嵌速率，以及稳定的循环性能。

4. 充放电过程中的电化学反应，在充电过程中，正极材料发生氧化反应，负极材料发生还原反应；在放电过程中，正极材料发生还原反应，负极材料发生氧化反应。

总结起来，全固态锂离子电池通过固态电解质和正负极材料之间的离子传输和电化学反应，实现了电能的储存和释放。

它具有高安全性、高能量密度和长循环寿命等优点，被广泛认为是下一代高性能电池技术的发展方向。

全固态锂离子电池关键材料详解全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本主解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。

其关键主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。

全固态锂离子电池的结构包括正极、电解质、负极，全部由固态材料组成，与传统电解液锂离子电池相比具有的优势有：①完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患，热稳定性更高；②不必封装液体，支持串行叠加排列和双极结构，提高生产效率；③由于固体电解质的固态特性，可以叠加多个电极；④电化学稳定窗口宽（可达5V以上），可以匹配高电压电极材料：⑤固体电解质一般是单离子导体，几乎不存在副反应，使用寿命更长。

固态电解质聚合物固态电解质聚合物固态电解质（SPE），由聚合物基体（如聚酯、聚酶和聚胺等）和锂盐（如LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等）构成，因其质量较轻、黏弹性好、机械加工性能优良等特点而受到了广泛的关注。

发展至今，常见的SPE包括聚环氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚环氧丙烷（PPO）、聚偏氯乙烯（PVDC）以及单离子聚合物电解质等其它体系。

目前，主流的SPE基体仍为最早被提出的PEO及其衍生物，主要得益于PEO 对金属锂稳定并且可以更好地解离锂盐。

然而，由于固态聚合物电解质中离子传输主要发生在无定形区，而室温条件下未经改性的PEO的结晶度高，导致离子电导率较低，严重影响大电流充放电能力。

研究者通过降低结晶度的方法提高PEO链段的运动能力，从而提高体系的电导率，其中最为简单有效的方法是对聚合物基体进行无机粒子杂化处理。

目前研究较多的无机填料包括MgO、Al2O3、SiO2等金属氧化物纳米颗粒以及沸石、蒙脱土等，这些无机粒子的加入扰乱了基体中聚合物链段的有序性，降低了其结晶度，聚合物、锂盐以及无机粒子之间产生的相互作用增加了锂离子传输通道，提高电导率和离子迁移数。