一种固态锂离子电池的封装及制备方法与流程

1.本发明涉及一种电池封装，具体涉及一种锂离子电池的封装及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。


背景技术：

2.与超级电容器或其他类型电池相比，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应及环境污染小等优点，因此在手机、笔记本电脑等消费类电子产品和电动汽车等新能源交通工具等诸多领域得到广泛应用。传统的锂离子电池采用液态电解质或固液混合的凝胶态电解质(相应的电池称为液态或半固态锂离子电池)，这些液态或凝胶态电解质通常具有很高的活性，极易燃烧，并存在由于工作温度过高或短路等引起爆炸的危险。采用固态电解质(相应的锂离子电池称为固态锂离子电池)代替液态或凝胶态电解质可避免上述危险，并可以有效地减小电池体积，因此，固态锂离子电池具有广阔的发展和应用前景。对于固态锂离子电池，如何有效提高电池的能量密度和可靠性能是亟待解决的关键问题。采用高比容量的电极材料代替现有技术中的电极材料是提高电池能量密度的有效途径，例如，硅电极的理论容量可达4200mah/g，相比之下，现有商用的石墨电极的理论容量仅为372mah/g。但另一方面，相比于现有的电极材料，具有高比容量的电极材料在工作过程中往往伴随着巨大的体积膨胀(以硅为例，体积膨胀可高达400％)。如此大的体积变化所伴随的应力极易导致电极材料破裂等可靠性问题，进而引起电池失效。如何缓解高比容量的电极材料的体积膨胀所带来的可靠性问题是目前的研究热点，现有报道的方法包括采用合金型电极材料以及将电极制备成纳米结构等。
3.此外，封装是影响固态锂离子电池的性能的一大重要因素。现有的封装方法普遍采用在电池表面沉积保护层(如沉积聚合物/金属复合薄膜)的方式进行封装，这可防止空气中氧气、湿气等渗透进入电池的活性材料中并造成电池性能恶化。但是，现有技术的封装形式把电池牢牢地束缚在基底上，没有考虑电池电极工作时体积会发生膨胀等因素，这造成电极体积膨胀所产生的应力无法释放，因此，极易引起电极的破裂及其导致的可靠性问题。因此，迫切需要一种新的方案解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种固态锂离子电池的封装及其制备方法，该技术方案克服了现有技术中存在的不足，使电池具有高的能量密度的同时还具有高的可靠性能和机械强度。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种固态锂离子电池的封装，包括盖板、固态锂离子电池以及基底，所述盖板下表面设置上电极层，上电极层上设置导线层，所述导线层位于盖板的中心位置；所述基底上设置有凹槽，所述凹槽表面和周侧依次设置有绝缘层和下电极层；盖板与基底相贴合，盖板与基底的凹槽形成密封腔体，所述固态锂离子电池设置在密封腔体中。
6.作为本发明的一种改进，电池的一端电极通过与基底上的下电极层相接触，进行电极引出，电池的另一端电极与盖板上的导线层相接触，并通过上电极层形成电极引出。
7.作为本发明的一种改进，所述导线层为具有高弹性模量和高导电能力的纳米线或纳米管，优选为碳纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线等，其中导线呈阵列结构。采用阵列结构，既有助于确保导线层与电池电极间形成可靠的电接触并降低接触电阻，又有助于确保导线具有良好的机械强度与机械弹性。所述纳米线或纳米管的高度在20
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50μm，这既规避了盖板与基底间贴合的工艺偏差及纳米线或纳米管过短导致的导线层与电池接触不良的问题，又避免了纳米线或纳米管高度过高导致其机械性能恶化及寄生电阻过大的问题。
8.作为本发明的一种改进，所述盖板为绝缘材料，包括玻璃或覆盖有绝缘材料的硅片，使得盖板与基底之间绝缘。
9.作为本发明的一种改进，基底选用n型(100)si。所述盖板与基底通过粘结剂键合或共晶键合等低温键合方式贴合，这既保证了盖板与基底之间形成良好的密封性，又避免了高温工艺对电池性能以及导线层性能造成破坏。
10.所述贴合在惰性环境中进行，这既避免密封腔中残余氧气、湿气等恶化电池性能，又使得密封腔与外部环境不存在压力差，从而抑制了压差导致的盖板变形及其造成的导线层与电池电极的接触可靠性问题。优选的，所述惰性环境为氩气环境，这是因为锂离子电池具有很强的活性，一般的惰性气体(如氮气)也会与锂离子电池反应，相比之下，氩气具有极强的惰性，与锂离子电池不会发生任何反应。
11.一种固态锂离子电池封装的制备方法，所述方法包括以下步骤：
12.步骤(1)，选用n型(100)si作为基底，使用各向异性湿法刻蚀的方法并结合光刻在基底上形成凹槽；
13.步骤(2)，通过热氧化在基底的凹槽及周侧表面形成100nm厚度的sio2作为绝缘层；
14.步骤(3)，通过磁控溅射的方法在绝缘层表面沉积100nm厚度的cu并光刻，形成下电极层；
15.步骤(4)，选用玻璃作为盖板，使用电子束蒸发的方法在盖板下表面沉积100nm厚度的al并光刻形成上电极层；
16.步骤(5)此外，使用电子束蒸发和遮罩板的方法在下电极层相应位置的表面沉积50nm厚度的ni，该层ni用作后续步骤中生长导线层的催化剂；
17.步骤(6)，使用等离子增强化学气相沉积和的方法在上电极层上覆盖ni的相应位置生长30μm高度的碳纳米管形成导线层；
18.步骤(7)，将固态锂离子电池置于基底的凹槽中，在基底周侧涂覆紫外胶，盖上盖板并对准，利用紫外灯照射紫外胶使胶凝固形成密封腔体，最终完成封装。
19.相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案固态锂离子电池可通过形变来释放充放电过程体积膨胀所产生的应力，从而提高了电池的可靠性能。由于导线层具有高的弹性模量，这一方面使得它可以跟随电池发生形变，从而保证两者形成可靠的电接触，同时也意味着导线层形变产生的反作用力对电池形变的阻碍作用很小，有利于电池通过充分形变而释放应力。因此，利用本发明的封装，电池可采用具有高比容量的电极材料，从而提高电池的能量密度并保证电池的可靠性能；2)相比于现有的电池封装技术，本封装通过
导线层与电池形成弹性连接，由于导线层具有很高的弹性模量和机械强度，在外部机械力的作用下，可通过弹性形变来缓解或消除外部机械力对电池活性材料的损伤并能保证导线层和电极始终保持可靠的电接触，因此，本发明的封装具有更高的机械强度和可靠性能；3)本发明的封装方案呈嵌入式结构，通过充分利用基底的内部空间，可有效地减小封装后电池的尺寸和体积，因此，有效提高了电池的体积能量密度并易于电池的微型化、轻便化；4)本发明的电池封装方案完全与半导体工艺兼容，成本低、精度高且一致性好，并易与集成电路、mems传感器等实现系统级封装与集成，从而降低系统的体积并提高系统集成度与功能。
附图说明
20.图1为本发明的剖面结构示意图；
21.图中有：10、盖板，11、上电极层，12、导线层，2、固态锂离子电池，30、基底，31、绝缘层，32、下电极层，33、凹槽。
具体实施方式：
22.为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
23.实施例1：参见图1，一种固态锂离子电池的封装，包括盖板10、固态锂离子电池2以及基底30，所述盖板下表面设置上电极层11，上电极层11上设置导线层12，所述导线层12位于盖板10的中心位置；所述基底上设置有凹槽33，所述凹槽33表面和周侧依次设置有绝缘层31和下电极层32；盖板10与基底30相贴合，盖板10与基底30的凹槽33形成密封腔体，所述固态锂离子电池2设置在密封腔体中，电池2的一端电极通过与基底30上的下电极层32相接触，进行电极引出，电池2的另一端电极与盖板10上的导线层12相接触，并通过上电极层11形成电极引出，所述导线层12为具有高弹性模量和高导电能力的纳米线或纳米管，优选为碳纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线等，其中导线呈阵列结构，所述盖板10为绝缘材料，包括玻璃或覆盖有绝缘材料的硅片，基底选用n型(100)si。
24.实施例2：参见图1，一种固态锂离子电池封装的制备方法，所述方法包括以下步骤：
25.步骤(1)，选用n型(100)si作为基底，使用各向异性湿法刻蚀的方法并结合光刻在基底上形成凹槽；
26.步骤(2)，通过热氧化在基底的凹槽及周侧表面形成100nm厚度的sio2作为绝缘层；
27.步骤(3)，通过磁控溅射的方法在绝缘层表面沉积100nm厚度的cu并光刻，形成下电极层；
28.步骤(4)，选用玻璃作为盖板，使用电子束蒸发的方法在盖板下表面沉积100nm厚度的al并光刻形成上电极层；
29.步骤(5)此外，使用电子束蒸发和遮罩板的方法在下电极层相应位置的表面沉积50nm厚度的ni，该层ni用作后续步骤中生长导线层的催化剂；
30.步骤(6)，使用等离子增强化学气相沉积的方法在上电极层上覆盖ni的相应位置选择性生长30μm高度的碳纳米管形成导线层；
31.步骤(7)，在氩气环境中，将固态锂离子电池置于基底的凹槽中，在基底周侧涂覆
紫外胶，盖上盖板并对准，利用紫外灯照射紫外胶使胶凝固形成密封腔体，最终完成封装。
32.需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。