CN106099197B - 全固态金属离子电池及其制备方法、电动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全固态金属离子电池的制备方法，包括以下步骤：提供一基片；在基片上形成至少两个叠层单元，所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及设置在正极薄膜与负极薄膜之间的无机固态电解质薄膜；叠加所述叠层单元。本发明还涉及一种包括至少两个在基片上叠加的叠层单元的全固态金属离子电池，以及一种应用上述全固态金属离子电池的电动车。采用所述全固态金属离子电池的制备方法制备的电池具有无毒性、高安全性、高储能密度、电池容量大、充放电容量保持率高等特点。

Description

全固态金属离子电池及其制备方法、电动车

【技术领域】

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种全固态金属离子电池及其制备方法、电动车。

【背景技术】

电能源是清洁能源最普遍也最具推广前景的应用形式。储能技术是能源结构由传统的化石能源向风能、太阳能等清洁能源调整和转变的关键环节。在众多电能源存储技术中，以锂离子电池为代表的金属离子电池是目前兼具技术成熟度和先进性的优选蓄电技术。

金属离子电池技术的发展需求为高安全、高能量密度、高功率密度、长循环寿命、低成本。其中，提高安全性是目前电动车动力电池、家庭分布式储能系统等应用形式的首要需求。电解质固态化是目前最具潜力和价值的锂离子电池安全性提高手段。

目前制备的聚合物固态电解质开发的全固态电池产品已小量投放市场，容量密度130-220Wh/kg。然而，有机类聚合物固态电解质的热稳定性和电化学稳定性往往无法满足复杂工况的需求。

无机固态电解质材料技术受限于无机材料厚膜涂布关键工艺，难以支撑大容量全固态金属离子电池的规模化应用。目前基于全固态锂离子电池技术研究，实验室样品能量密度为200Wh/kg，在60℃的温度下，实施300次0.1C的充电和0.5C的放电循环后，电池放电容量保持率为80％。虽然类似的薄膜电池与微电子器件集成制备，可解决部分微电子器件的供能问题，但其容量受限于电池器件的尺寸，因此难以满足电动车动力电池、家庭分布式储能系统等应用需求。

【发明内容】

为克服现有电池容量小技术问题，本发明提供一种全固态金属离子电池及其制备方法、电动车。

本发明解决技术问题的技术方案是提供一种全固态金属离子电池的制备方法，包括步骤S1，提供一基片；步骤S2，在基片上形成至少两个叠层单元，所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及设置在正极薄膜与负极薄膜之间的无机固态电解质薄膜；其中提供至少三个靶材位并在靶材位上设置对应靶材，设置电力供应为直流电源，真空气相沉积的气压为0.35-0.6Pa，保持基片温度为10-30℃，在基片上形成正极集流体薄膜；设置电力供应为射频电源，真空气相沉积的气压为2-3Pa，温度为600-800℃，在正极集流体薄膜之上依次形成正极薄膜、无机固态电解质薄膜；设置电力供应为直流电源，调节真空气相沉积的气压为0.2-3Pa，温度为10-30℃，在所述无机固态电解质薄膜远离所述正极薄膜的一面沉积形成负极薄膜；设置电力供应为射频电源，调节真空气相沉积的气压为0.2-3Pa，温度为10-30℃，在负极薄膜的一面沉积形成负极集流体薄膜；设置电力供应为射频电源，调节真空气相沉积的气压为1.6-1.8Pa，温度为300-500℃；及步骤S3，叠加所述叠层单元。

优选地，所述全固态金属离子电池为锂离子电池时，制备正极集流体薄膜、正极薄膜、无机固态电解质薄膜、负极薄膜及负极集流体薄膜的靶材分别为：铝单质靶材、磷酸铁锂化合物靶材、Li₇Y₃Nb₂O₁₂固态电解质化合物靶材、锂单质靶材及铜单质靶材；或钼单质靶材、镍钴锰化合物靶材、Li-La-Ti-O固态电解质化合物靶材、锂单质靶材及铜单质靶材。

优选地，所述全固态金属离子电池为钠离子电池时，所述无机固态电解质靶材包括Na-Mn-O固态电解质、Na-Co-O固态电解质、Na-Fe-P-O橄榄石结构固态电解质、Na-P-O-F固态电解质中一种或几种的混合物。

优选地，所用全固态金属离子电池为锂离子电池时，所述无机固态电解质靶材包括Li－Ge－P－S固态电解质、Li₇La₃Ta₂O₁₃固态电解质、LiGePO₄固态电解质、Li－La－Ti－O四元体系固态电解质或反钙钛矿结构固态电解质中任一种。

优选地，所述阻挡层靶材为氮化钛或氮化硅。

优选地，所述正极靶材包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰、镍钴铝中一种或几种的混合物。

优选地，所述正极集流体薄膜、正极薄膜、无机固态电解质薄膜、负极薄膜、负极集流体薄膜和阻挡层薄膜的厚度为10纳米至2微米；所述叠层单元数目大于等于2。

本发明解决技术问题的技术方案是提供一种全固态金属离子电池，包括至少两个在基片上叠加的叠层单元；所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及设置在正极薄膜与负极薄膜之间的无机固态电解质薄膜，所述全固态金属离子电池利用上述权利要求1-7中任一项所述的全固态金属离子电池的制备方法而制备获得。

本发明解决技术问题的技术方案是提供一种具有全固态金属离子电池的电动车，其包括如上所述的全固态金属离子电池。

与现有技术相比，本发明一种全固态金属离子电池及其制备方法、电动车具有以下优点：

(1)本发明所提供的全固态金属离子电池的制备方法，沉积至少两个叠层单元，所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及无机固态电解质薄膜，并重复沉积，形成多个叠层单元叠加，能在电池器件尺寸受限的情况下，设置多个叠层单元，提高单位体积的储能密度，从而提高电池的容量，解决微电子器件供能问题。

(2)所述叠层单元包括第一叠层单元、第二叠层单元，因而可以设置多种叠加方式，从而增加全固态金属离子电池种类，使全固态金属离子电池具有广泛的适用性。

(3)第一叠层单元、第二叠层单元相邻设置情况下，第一叠层单元与第二叠层单元间设置一正极集流体薄膜或负极集流体薄膜，在电池器件尺寸受限的情况下，可减少一个叠层单元占用空间，同时在电池器件尺寸一定时可以设置更多的叠层单元，进一步提高全固态金属离子电池储能密度，从而提高电池容量。

(4)调节真空气相沉积的气压及基片温度，能保证真空气相沉积成膜的均匀性。

(5)正极集流体薄膜、正极薄膜、无机固态电解质薄膜、负极薄膜、负极集流体薄膜和阻挡层薄膜的厚度以及叠层单元叠加的数目，可以根据全固态金属离子电池的容量选用，因此可以制备叠层薄膜厚度不同及叠层单元数目不同的组合全固态金属离子电池，因而极大地增加了全固态金属离子电池的尺寸范围和电池容量，具有广泛的适用性。

(6)制备具有所述叠层单元叠加的全固态金属离子电池具有电池容量大、充放电电池容量保持率高的优点。

(7)本发明所提供具有所述叠层单元叠加的全固态金属离子电池的电动车，具有使用寿命长、安全性能高、充放电容量保持率高特点。

【附图说明】

图1是本发明全固态金属离子电池的制备方法采用磁控溅射装置结构示意图。

图2是图1所示磁控溅射装置中靶材位的细节示意图。

图3是本发明第一实施例的第一实施方式的全固态金属离子电池的制备方法制备电池器件叠层结构示意图。

图4是本发明第一实施例的第二实施方式的全固态金属离子电池的制备方法制备电池器件叠层结构示意图。

图5是本发明全固态金属离子电池的制备方法制备的全固态金属离子电池结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明采用真空气相沉积技术制备全固态金属离子电池。真空气相沉积技术包括溅射、蒸发、分子束外延、激光脉冲、化学真空气相沉积等技术。在本发明更优的实施例中具体可为：磁控溅射真空气相沉积技术。

本发明第一实施例提供一种全固态金属离子电池的制备方法，其包括如下的步骤：

步骤S1，材料准备；

步骤S2，叠层单元的制备及叠加；

及步骤S3，电池封装。

上述步骤S1的具体步骤如下提供制备全固态金属离子电池所需靶材：正极集流体靶材、正极靶材、无机固态电解质靶材、负极靶材、负极集流体靶材、阻挡层靶材。

在本发明中，所述全固态金属离子电池中，金属离子的种类可以包括但不限于锂离子、钠离子、钾离子、镁离子或铝离子等中一种或几种金属离子混合。具体的全固态金属离子电池，可以包括但不限于锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池或铝离子电池等中一种或几种金属离子混合的金属离子电池。金属离子种类具有多样性，因此扩大了全固态金属离子电池的适用范围。

所述正极靶材，根据所用金属离子的种类，选用可通过金属离子的嵌入和脱嵌实现电能存储的凝聚态材料。可选用但不限于钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰、镍钴铝等正极材料中的一种或几种的混合物。

所述无机固态电解质靶材，根据所用金属离子的种类，选用能够传导上述金属离子的无机固态离子导体。可选用但不限于如下材料：过渡金属氧化物、橄榄石结构氧化物、聚阴离子结构化合物、四元体系金属盐等中一种或几种的混合物。

所述负极靶材，根据据所用金属离子的种类，选用可通过金属离子的嵌入和脱嵌实现电能存储的凝聚态材料。可选用但不限于如下材料：碳类负极材料、钛酸锂、合金类负极材料、过渡金属氧化物负极材料等中的一种或几种的混合物。

所述阻挡层靶材的材料选用绝缘性好、无电化学活性的固态材料。

在本发明一些优选的实施例中，所用全固态金属离子电池为锂离子电池时，无机固态电解质靶材可选用但不限于Li₇La₃Ta₂O₁₃、Li₇La₃Zr₂O₁₃、Li₇Y₃Nb₂O₁₃、LiGePO₄、Li-Ge-P-S、Li-La-Ti-O四元体系固态电解质或反钙钛矿结构固态电解质。

在本发明一些更优的实施例中，所述阻挡层靶材具体可为：氮化钛、氮化硅。

在本发明一些优选的实施例中，所用全固态金属离子电池为钠离子电池时，无机固态电解质靶材可选用但不限于如下材料：Na-Mn-O固态电解质、Na-Co-O固态电解质、Na-Mn-Fe-P-O等橄榄石结构固态电解质、Na-P-O-F等氟磷酸盐固态电解质等一种或几种的混合物。

在本发明一些更优的实施例中，所用全固态金属离子电池为锂离子电池时，所述正极集流体靶材、正极靶材、无机固态电解质靶材、负极靶材、负极集流体靶材具体可分别为：铝单质靶材、磷酸铁锂化合物靶材、Li₇Y₃Nb₂O₁₃固态电解质化合物靶材、锂单质靶材、铜单质靶材；或钼单质靶材、镍钴锰化合物靶材、Li-La-Ti-O固态电解质化合物靶材、锂单质靶材和铜单质靶材。

所述正极集流体靶材、正极靶材、无机固态电解质靶材、负极靶材、负极集流体靶材、阻挡层靶材可以根据需要，配置成不同类型的全固态金属离子电池。

本发明所提供的全固态金属离子电池的制备方法中具体可采用一磁控溅射装置1进行上述的全固态金属离子电池的制备，其具体内容如下所述。

请参考图1，本发明磁控溅射装置1，包括支撑机构11、载物机构13、旋转机构15、晶振调节机构(图未示)及真空腔(图未示)。真空腔收容支撑机构11、载物机构13、旋转机构15、晶振调节机构。载物机构13平行支撑机构11设置。旋转机构15对应支撑机构11设置，并连接载物机构13的一端。晶振调节机构用于监测真空气相沉积成膜厚度。

请一并参考图2，支撑机构11上设置至少一个靶材位111。靶材位111内设置电力供应机构1111、磁场产生机构1113、靶材1115。磁场产生机构1113对应靶材1115设置，电力供应机构1111连接靶材1115。

所述磁场产生机构1113包括多个永磁体1112。

所述载物机构13固定至少一个基片131。晶振调节机构监测基片131上沉积薄膜厚度。

关闭真空腔，对真空腔抽真空至真空度高于10^-4pa以上，通入氩气作为保护气体。将载物机构13移动离开已完成溅射的靶材区域，移动至基片131对应于下一待溅射靶材1115位置处。调节待溅射靶材1115所在靶材区111的电力供应机构1111功率，及调节永磁体1112分布和密度，继续溅射成膜。如此重复操作，制备多种材料叠加薄膜。

在本发明第一实施例的第一具体实施方式的上述步骤S2中，提供一基片131，依次固定正极集流体靶材、正极靶材、无机固态电解质靶材、负极靶材、负极集流体靶材于五个靶材位111上。对应于正极集流体靶材固定所述基片131于载物机构13上。基片131形状和大小与所制备器件大小相符。真空气相沉积至少两个第一叠层单元。所述第一叠层单元包括依次叠层的正极薄膜102-无机固态电解质薄膜103-负极薄膜104。具体获得第一叠层单元的步骤如下：

步骤T1，真空气相沉积正极集流体薄膜101：设置电力供应机构1111为直流电源，调节溅射电压至正极集流体靶材的启辉状态。调节工作气压至0.2-3pa。此时基片131位于正极集流体靶材下方，保持基片131的温度为10-30℃。开始在基片131上真空气相沉积正极集流体薄膜101，晶振调节机构测得正极集流体薄膜101真空气相沉积厚度为10-2000nm时，关闭直流电源。将载物机构13移动离开正极集流体靶材区域。

步骤T2，真空气相沉积正极薄膜102：设置电力供应机构1111为射频电源，调节溅射电压至正极靶材的启辉状态。调节工作气压至0.2-3pa，将载物机构13移动至正极靶材下方，此时基片131对应位于正极靶材下方。基片升温至200-800℃，开始真空气相沉积正极薄膜102，晶振调节机构测得正极薄膜102真空气相沉积厚度为10-2000nm时，关闭射频电源。将载物机构13移动离开正极靶材区域。

步骤T3，真空气相沉积无机固态电解质薄膜103：设置电力供应机构1111为射频电源，调节溅射电压至无机固态电解质靶材的启辉状态。调节工作气压至0.2-3pa，将载物机构13移动至无机固态电解质靶材下方。保持基片131温度200-800℃，开始真空气相沉积无机固态电解质薄膜103，晶振调节机构测得无机固态电解质薄膜103真空气相沉积厚度为10-2000nm时，关闭射频电源。将载物机构13移动离开无机固态电解质靶材区域。

步骤T4，真空气相沉积负极薄膜104：设置电力供应机构1111为直流电源，调节溅射电压至负极靶材的启辉状态。调节工作气压至0.2-3pa，将载物机构13移动至负极靶材下方，此时基片131对应位于负极靶材下方。基片131降温至10-30℃，开始真空气相沉积负极薄膜104，晶振调节机构测得负极薄膜104真空气相沉积厚度为10-2000nm时，关闭直流电源。将载物机构13移动离开负极靶材区域。

步骤T5，真空气相沉积负极集流体薄膜105：设置电力供应机构1111为射频电源，调节溅射电压至负极集流体靶材的启辉状态。调节工作气压至0.2-3pa，将载物机构13移动至负极集流体靶材下方，此时基片131对应位于负极集流体靶材下方。保持基片131温度10-30℃。开始真空气相沉积负极集流体薄膜105，晶振调节机构测得负极集流体薄膜105真空气相沉积厚度为10-2000nm时，关闭射频电源。将载物机构13移动离开负极集流体靶材区域。

本发明第一实施例中的第二具体实施方式与第一具体实施方式的不同之处在于：

在五个靶材位111上依次固定负极集流体靶材、负极靶材、无机固态电解质靶材、正极靶材及正极集流体靶材。依次真空气相沉积至少一第二叠层单元。所述第二叠层单元包括依次叠层的负极薄膜104-无机固态电解质薄膜103-正极薄膜102。

在本发明第一、第二具体实施方式中，所述正极集流体薄膜101设置于正极薄膜102远离无机固态电解质薄膜103一侧，负极集流体薄膜105设置于负极薄膜104远离无机固态电解质薄膜103一侧。

重复本发明第一具体实施方式的上述实验步骤T1-步骤T5，真空气相沉积至少两个叠层单元，叠加所述叠层单元。所述叠层单元包括第一叠层单元及第二叠层单元。

步骤T6，真空气相沉积阻挡层薄膜106：固定阻挡层靶材于磁控溅射装置1靶材位111上。设置电力供应机构1111为射频电源，调节溅射电压至阻挡层靶材的启辉状态。改变气体成分为含有20％氮气，80％氮气的混合气体，调节工作气压为0.2-3pa，将载物机构13移动至阻挡层靶材下方，此时基片131对应位于阻挡层靶材下方。基片131升温至200-800℃。开始真空气相沉积，晶振调节机构测得阻挡层薄膜106真空气相沉积厚度为10-2000nm时，关闭射频电源。恢复只有单一氩气保护气体，将载物机构13移动离开阻挡层靶材区域。

本发明全固态金属离子电池的制备方法一些较优的实施例中，可以组合叠加第一叠层单元、第二叠层单元。所述第一叠层单元、第二叠层单元的设置方式包括相同的叠层单元相邻设置和不同叠层单元相邻设置。所述第一叠层单元、第二叠层单元可以组合叠加，因而可以设置多种叠加方式，从而增加全固态金属离子电池种类，使全固态金属离子电池具有广泛的适用性。

本发明全固态金属离子电池的制备方法一些较优的实施例中，可以单独叠加相同的叠层单元，所述相同的叠层单元相邻设置。

本发明全固态金属离子电池的制备方法一些较优的实施例中，可以交替叠加第一叠层单元、第二叠层单元，所述不同叠层单元相邻设置。所述多个第一叠层单元与多个第二叠层单元交替叠加时，则相邻叠加的第一叠层单元与第二叠层单元，满足在负极集流体薄膜105两侧均布置负极薄膜104或在正极集流体薄膜101两侧均布置正极薄膜102。因此在电池尺寸受限的情况下，可以节省一叠层单元所占用空间，同时在电池尺寸一定时可设置更多的叠层单元，因而进一步提高了所述全固态金属离子电池的单位体积的储能密度。因此在电池器件尺寸受限的情况下，能够增加电池容量，解决微电子器件供能问题。

请参考图3，当相同的叠层单元相邻设置时，所述第一叠层单元真空气相沉积于第一叠层单元上，叠层单元之间设置负极集流体薄膜105-阻挡层薄膜106-正极集流体薄膜101。

当相同的叠层单元相邻设置时，所述第二叠层单元真空气相沉积于第二叠层单元上，叠层单元之间设置正极集流体薄膜101-阻挡层薄膜106-负极集流体薄膜105。

请参考图4，当不同的叠层单元相邻设置时，所述第二叠层单元真空气相沉积于第一叠层单元上，在第一叠层单元与第二叠层单元间设置一负极集流体薄膜105。

当不同的叠层单元相邻设置时，所述第一叠层单元真空气相沉积于第二叠层单元上，在第一叠层单元与第二叠层单元间设置一正极集流体薄膜101。

当第一叠层单元与基片131相邻设置时，在所述第一叠层单元的正极薄膜102与基片131之间设置正极集流体薄膜101。

当第二叠层单元与基片131相邻设置时，在所述第二叠层单元的负极薄膜104与基片131之间设置负极集流体薄膜105。

当完成全部叠层单元叠加制备，最后真空气相沉积的叠层单元为第一叠层单元时，在所述第一叠层单元的负极薄膜104远离基片131一侧真空气相沉积负极集流体薄膜105。

当完成全部叠层单元叠加制备，最后真空气相沉积的叠层单元为第二叠层单元时，在所述第二叠层单元的正极薄膜102远离基片131一侧真空气相沉积正极集流体薄膜101。

在本发明第一、第二具体实施方式的一些优选的实施例中，所述步骤T1、所述步骤T4、所述步骤T5中，可以在如下工作气压真空气相沉积成膜：0.2-0.3pa、0.3-0.5pa、0.35-0.6pa、0.5-0.6pa、0.6-1.6pa、1.6-1.8pa、1.8-2pa、2-3pa或2.5-3pa。在本发明一些更优的实施例中所述工作气压具体可为：0.2pa、0.25pa、0.3pa、0.35pa、0.4pa、0.45pa、0.5pa、0.55pa或0.6pa。

在本发明第一、第二具体实施方式的一些优选的实施例中，所述步骤T1、所述步骤T4、所述步骤T5中，基片131可以在如下温度真空气相沉积成膜：10-15℃、15-20℃、20-25℃或25-30℃。在本发明一些更优的实施例中所述温度具体可为：10℃、15℃、20℃或25℃。

在本发明第一、第二具体实施方式的一些优选的实施例中，所述步骤T2、所述步骤T3、所述步骤T6中，可以在如下工作气压真空气相沉积成膜：0.2-0.6pa、0.5-0.6pa、0.6-1.6pa、1.6-1.8pa、1.8-2pa、2-3pa或2.5-3pa。在本发明一些更优的实施例中所述工作气压具体可为：1pa、

1.2pa、1.4pa、1.5pa、1.6pa、1.7pa、1.8pa、1.9pa或2pa。

在本发明第一、第二具体实施方式的一些优选的实施例中，所述步骤T2、所述步骤T3、所述步骤T6中，基片131可以在如下温度真空气相沉积成膜：200-300℃、300-500℃、500-600℃或600-800℃。在本发明一些更优的实施例中所述温度具体可为：300℃、400℃、500℃、600℃、700℃或800℃。

在本发明第一、第二具体实施方式的一些优选的实施例中，所述步骤T1-T6中，所述真空气相沉积的正极集流体薄膜101、正极薄膜102、无机固态电解质薄膜103、负极薄膜104、负极集流体薄膜105及阻挡层薄膜106厚度可为：10-50nm、10-100nm、50-100nm、80-200nm、100-300nm、200-400nm、300-500nm、500-800nm、800-1000nm、

1000-2000nm。在本发明一些更优的实施例中所述厚度具体可为：10nm、50nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、

1200nm、1500nm或2000nm。

本发明第一、第二具体实施方式所述叠层单元数目大于等于2。在本发明第一、第二具体实施方式的一些优选的实施例中，所述叠层单元数目为2-10、5-50、20-100、50-100、80-150、100-200、200-400、300-500、200-500或500-2000。本发明一些更优的实施例中所述叠层单元数目10、20、50、100、150、200、300、500或1000。

所述调节真空气相沉积的气压及基片131温度至适宜的范围，能保证真空气相沉积成膜均匀性。

所述叠层单元的数目，以及所述正极集流体薄膜101、正极薄膜102、无机固态电解质薄膜103、负极薄膜104、负极集流体薄膜105及阻挡层薄膜106厚度可以根据全固态金属离子电池的容量设置。因此可以制备叠层薄膜厚度不同及叠层单元数目不同的组合全固态金属离子电池，因而极大地增加了全固态金属离子电池的尺寸范围和电池容量，具有广泛的适用性。

请参考图5，在本发明第一实施例所提供的全固态金属离子电池制备方法，在上述步骤S3中具体电池封装的优选步骤如下：

将上述各个正极集流体薄膜101电性连接在第一极耳301上，所述各个正极集流体薄膜101相互并联。所述各个正极集流体薄膜101通过第一极耳301与外电路相连通，从而实现每个叠层单元与外电路良好导通。

将上述各个负极集流体薄膜105电性连接在第二极耳302上，所述各个负极集流体薄膜105相互并联。所述各个负极集流体薄膜105通过第二极耳302与外电路相连通，从而实现每个叠层单元与外电路良好导通。

再经密封、整形等操作获得全固态金属离子电池。

本发明第二实施例提供一种全固态金属离子电池，所述电池包括至少两个本发明第一实施例中的第一具体实施方式和第二具体实施方式所述在基片131上真空气相沉积的叠层单元叠加制备的电池器件。所述叠层单元各薄膜采用上述全固态金属离子电池制备方法制备获得。所述叠层单元包括第一叠层单元、第二叠层单元；所述第一叠层单元包括依次叠层的正极薄膜102-无机固态电解质薄膜103-负极薄膜104，所述第二叠层单元包括依次叠层的负极薄膜104-无机固态电解质薄膜103-正极薄膜102。所述全固态金属离子电池具有无毒性、高安全性、高储能密度、电池容量大、充放电容量保持率高等特点。

在本发明一些优选的实施例中，与现有制备的全固态电池产品相比，所述采用真空气相沉积制备全固态金属离子电池能提高储能密度、充放电容量保持率、增加电池容量等。全固态金属离子电池叠层单元为50-100个时，全固态金属离子电池储能密度可达350Wh/Kg以上；5C充放电1000-1500次循环后，电容量保持率大于90％；电池容量可达10Ah以上。

本发明第三实施例提供具有所述叠层单元叠加的全固态金属离子电池的电动车，所述电动车采用如本发明第二实施例中所述的全固态金属离子电池。所述的电动车具有使用寿命长、安全性能高、充放电容量保持能力强等特点。

与现有技术相比，本发明一种全固态金属离子电池及其制备方法、电动车具有以下优点：

(1)本发明所提供的全固态金属离子电池的制备方法，沉积至少两个叠层单元，所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及无机固态电解质薄膜，并重复沉积，形成多个叠层单元叠加，能在电池器件尺寸受限的情况下，设置多个叠层单元，提高单位体积的储能密度，从而提高电池的容量，解决微电子器件供能问题。

(2)所述叠层单元包括第一叠层单元、第二叠层单元，因而可以设置多种叠加方式，从而增加全固态金属离子电池种类，使全固态金属离子电池具有广泛的适用性。

(3)第一叠层单元、第二叠层单元相邻设置情况下，第一叠层单元与第二叠层单元间设置一正极集流体薄膜或负极集流体薄膜，在电池器件尺寸受限的情况下，可减少一个叠层单元占用空间，同时在电池器件尺寸一定时可以设置更多的叠层单元，进一步提高全固态金属离子电池储能密度，从而提高电池容量。

(4)调节真空气相沉积的气压及基片温度，能保证真空气相沉积成膜的均匀性。

(5)正极集流体薄膜、正极薄膜、无机固态电解质薄膜、负极薄膜、负极集流体薄膜和阻挡层薄膜的厚度以及叠层单元叠加的数目，可以根据全固态金属离子电池的容量选用，因此可以制备叠层薄膜厚度不同及叠层单元数目不同的组合全固态金属离子电池，因而极大地增加了全固态金属离子电池的尺寸范围和电池容量，具有广泛的适用性。

(6)制备具有所述叠层单元叠加的全固态金属离子电池具有电池容量大、充放电电池容量保持率高的优点。

(7)本发明所提供具有所述叠层单元叠加的全固态金属离子电池的电动车，具有使用寿命长、安全性能高、充放电容量保持率高特点。

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

Claims (9)

1.一种全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：包括

步骤S1，提供一基片；

步骤S2，在基片上形成至少两个叠层单元，所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及设置在正极薄膜与负极薄膜之间的无机固态电解质薄膜；其中提供至少三个靶材位并在靶材位上设置对应靶材，设置电力供应为直流电源，真空气相沉积的气压为0.35-0.6Pa，保持基片温度为10-30℃，在基片上形成正极集流体薄膜；设置电力供应为射频电源，真空气相沉积的气压为2-3Pa，温度为600-800℃，在正极集流体薄膜之上依次形成正极薄膜、无机固态电解质薄膜；设置电力供应为直流电源，调节真空气相沉积的气压为0.2-3Pa，温度为10-30℃，在所述无机固态电解质薄膜远离所述正极薄膜的一面沉积形成负极薄膜；设置电力供应为射频电源，调节真空气相沉积的气压为0.2-3Pa，温度为10-30℃，在负极薄膜的一面沉积形成负极集流体薄膜；设置电力供应为射频电源，调节真空气相沉积的气压为1.6-1.8Pa，温度为300-500℃，在负极集流体薄膜上形成阻挡层；及步骤S3，叠加所述叠层单元。

2.如权利要求1所述的全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：所述全固态金属离子电池为锂离子电池时，制备正极集流体薄膜、正极薄膜、无机固态电解质薄膜、负极薄膜及负极集流体薄膜的靶材分别为：

铝单质靶材、磷酸铁锂化合物靶材、Li₇Y₃Nb₂O₁₂固态电解质化合物靶材、锂单质靶材及铜单质靶材；或钼单质靶材、镍钴锰化合物靶材、Li-La-Ti-O固态电解质化合物靶材、锂单质靶材及铜单质靶材。

3.如权利要求1所述的全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：所述全固态金属离子电池为钠离子电池时，所述无机固态电解质靶材包括Na-Mn-O固态电解质、Na-Co-O固态电解质、Na-Fe-P-O橄榄石结构固态电解质、Na-P-O-F固态电解质中一种或几种的混合物。

4.如权利要求1所述的全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：所用全固态金属离子电池为锂离子电池时，所述无机固态电解质靶材包括Li－Ge－P－S固态电解质、Li₇La₃Ta₂O₁₃固态电解质、LiGePO₄固态电解质、Li－La－Ti－O四元体系固态电解质或反钙钛矿结构固态电解质中任一种。

5.如权利要求1所述的全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：所述阻挡层靶材为氮化钛或氮化硅。

6.如权利要求1所述的全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极靶材包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰、镍钴铝中一种或几种的混合物。

7.如权利要求1所述的全固态金属离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极集流体薄膜、正极薄膜、无机固态电解质薄膜、负极薄膜、负极集流体薄膜和阻挡层薄膜的厚度为10纳米至2微米；所述叠层单元数目大于等于2。

8.一种全固态金属离子电池，其特征在于：包括至少两个在基片上叠加的叠层单元；所述叠层单元包括正极薄膜、负极薄膜以及设置在正极薄膜与负极薄膜之间的无机固态电解质薄膜，所述全固态金属离子电池利用上述权利要求1-7中任一项所述的全固态金属离子电池的制备方法而制备获得。

9.一种具有全固态金属离子电池的电动车，其特征在于：包括如权利要求8所述的全固态金属离子电池。