CN102027626A - 高能量高功率电极和电池 - Google Patents

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Abstract

提供了在电化学设备中使用的子组件，还提供了用于制备这些子组件的方法和并入这些子组件的电化学电池。在一些实施例中，这些子组件包括(a)第一电极和(b)隔离体或者第一集电器或者隔离体和第一集电器。第一电极被接合到隔离体或者第一集电器或者隔离体和第一集电器。在一些实施例中，这些子组件进一步包括第二电极和第二集电器。在一些实施例中，电极和隔离体被烧结。还提供了双极型电池，其包括串联连结的多个堆叠的电化学电池。每个堆的正电极和负电极包括烧结电极。

Description

高能量高功率电极和电池
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求在2008年3月25日提交的题为“High Energy High Power Electrodes and Batteries”的共同未决的美国专利申请No.61/039,387的优先权，其内容通过引用合并于此。
背景技术
由于多种因素，当前的锂可再充电电池中的活性材料的体积和重量的利用率远不足50％。当前在锂可再充电电池中使用的基于微粒的电极是通过使起始粉末与聚合物粘结剂、溶剂和诸如碳的传导添加剂粉末混合而制备的。所混合的混合物随后被涂覆到金属箔集电器上，在高压下进行干燥和压延以获得致密的涂层。这些电极具有活性材料的较差的堆积密度，在体积上典型地小于60％，并且对于足够的倍率性能，开口孔隙率在体积上典型地是30％到40％。电极体积的相当一部分还被所引入的用于改进电极的处理的聚合物粘结剂和所添加的用于改进电极的电子传导性的碳添加剂所占用。碳添加剂在使用诸如插层氧化物和聚阴离子化合物的电子传导性差的化合物的电极中是特别必要的。这是因为这些化合物的粉末颗粒在被压紧时趋向于形成硬的不变形颗粒之间的高阻“点”接触，导致差的传导网络。这些电极添加剂具有低的比重并且因此占用了相当大的体积。
此外，这些电极中的锂离子和电子的传输是较差的并且需要相对薄的电极，通常小于150微米厚，以便于实现活性材料的完全的利用。这些可再充电电池的薄的叠层结构需要大量非存储材料，包括粘结剂、传导添加剂、集电器箔、隔离体膜和电解质，导致前述差的体积和重量的利用。在高功率电池中，电极的热传导性也应是高的，以便防止循环期间的过热，这会引起能量和功率的劣化并且限制电池寿命。由于热必须通过窄的点接触在颗粒之间传输，因此基于微粒的电极具有差的热传导性。在使用插入氧化物或者诸如磷酸盐或硫酸盐的聚阴离子化合物的正或负电极中，由于这些化合物具有差的热传导性，因此这些限制进一步加剧。
限制传统的电池结构的利用率的另一方面是使每个电极连接到公共端子的需要。在卷绕式电池中，连接点穿过从每个电极的侧面延伸的调整片。该调整片的体积和表面积限制了可以流过该调整片并且可以接入设备的电流量。
因此，有价值的是这样的电极，其具有高的活性材料的堆积密度、快的电子和离子传输动力学、高的热传导性，并且可以被制备为厚的电极，同时仍具有高的电化学利用率。
Chiang等人在2008年5月23日提交的题为“Batteries and Electrodes for Use Thereof”的国际专利公开No.WO 08/153749(其整体内容通过引用合并于此)大体上涉及电池或者其他电化学设备以及在它们中使用的系统和材料，包括新型的电极材料和设计。该公开进一步公开了具有高功率和最小体积的电池。
发明内容
本文描述了数个详细的实施例，包括用于本发明的设备的电极材料、电池材料、电池设计、制造方法以及可实现的比能量和体积能量。
提供了电池的如下特征：
●用于可再充电电池的共同烧制电极-隔离体结构。
●具有活性材料的高的体积和重量利用率的利用所述共同烧制电极结构的可再充电锂电池，其提供高的能量密度和比能量，或者高的功率密度和比功。这些设计在便携式电子或无线通信设备、电动工具、混合电动交通工具(HEV)、插电式电动交通工具(PHEV)、全电动交通工具(EV)、备用电源、用于能量采集系统的存储电池、或者用于电力公司的包括调频系统的电能质量改进系统中是有用的。
●提供改进的热传导性和安全性的使用烧结的正和负电极或者共同烧制电极-隔离体结构的双极型电池设计。
提供了能够满足或超过300Wh/kg的比能量和600W/kg的比功(即，约2C的操作放电率)的电极和能量存储设备。
在一个方面，描述了一种在电化学设备中使用的子组件。该子组件包括(a)第一电极和(b)隔离体或者第一集电器或者此两者。第一电极被接合到隔离体或者第一集电器或者此两者。术语“接合”的含义与本领域中理解的含义相同，特别是电化学和电机械设备的领域。例如，接合指示了材料之间的紧密连接，其可以包括，尽管不一定包括，化学或物理接合。“接合”还用于指示材料变得熔融。
在一些实施例中，第一电极被热接合到隔离体或者第一集电器或者此两者。热接合所指示的是材料通过牵涉施加热的过程而变得接合或熔融。
在一些实施例中，该子组件是烧结子组件。
在另一方面，描述了一种在电化学设备中使用的子组件。该子组件包括(a)第一烧结电极和(b)烧结隔离体或者第一集电器或者此两者。第一烧结电极被接合到烧结隔离体或者第一集电器或者此两者。
在另一方面，一种在电化学设备中使用的子组件包括(a)第一电极和(b)隔离体或者第一集电器或者此两者。该子组件是通过如下方式产生的：(i)使第一电极与隔离体或者第一集电器或者此两者组合，以及(ii)在用于有效形成烧结子组件的条件下加热第一电极和隔离体或者第一集电器或者此两者。
在又一方面，另一种在电化学设备中使用的子组件包括(a)第一烧结电极和(b)烧结隔离体或者第一集电器或者此两者。该子组件是通过如下方式产生的：(i)使第一烧结电极与烧结隔离体或者第一集电器或者此两者组合，以及(ii)在用于有效形成烧结子组件的条件下加热第一烧结电极和烧结隔离体或者第一集电器或者此两者。
在一个实施例中，描述了一种电化学设备并且其包括：
(a)正电极，与正电极集电器电子接触，正集电器与外部电路电气连接；
(b)负电极，与负电极集电器电子接触，负集电器与外部电路电气连接；
(c)隔离体，安置在正电极和负电极之间；以及
(d)电解质，与正和负电极离子接触。
正电极或负电极和隔离体包括烧结子组件。在一些实施例中，设备中的非活性材料的质量分数小于约50％。在一些实施例中，在大于约600W/kg的功率密度下，设备的比能量大于约300Wh/kg。
在另一方面，一种用于制备在电化学设备中使用的子组件的工艺包括：
(a)使第一电极与隔离体或者第一集电器或者此两者组合；以及
(b)在用于有效形成烧结子组件的条件下加热第一电极和隔离体或者第一集电器或者此两者。
在又一方面，描述了一种双极型电池。该双极型电池包括多个堆叠的电化学电池，其中电化学电池串联连结。堆叠的电化学电池中的每一个包括：
(a)正电极，与正电极集电器电子接触，正集电器与外部电路电气连接；
(b)负电极，与负电极集电器电子接触，负集电器与外部电路电气连接；
(c)隔离体，安置在正电极和负电极之间；以及
(d)电解质，与正和负电极离子接触；
其中每个堆的正电极和负电极包括烧结电极。
在一些实施例中，第一集电器和隔离体接合到第一电极的相反表面。在一些实施例中，这里描述的子组件包括第二电极并且第一和第二电极接合到隔离体的相反表面。在一些实施例中，第二电极和第一电极具有针对隔离体的相反表面的热接合并且第二集电器和隔离体接合到第二电极的相反表面(例如，图1)。在给定的子组件中，第一和第二电极均是独立烧结的或者未烧结的。
在一些实施例中，这里描述的烧结子组件在厚度上至少约为200μm。
在一些实施例中，这里描述的电极和烧结子组件的厚度相对于平均厚度的变化小于25％。就是说，电极或子组件的跨越其长度和宽度的最小尺寸的长度基本上是均匀的，在厚度上没有显著的变化。在一些实施例中，相对平均厚度的厚度变化小于20％、小于15％或者小于10％。
附图说明
参照附图描述了本发明，这些附图是仅出于说明的目的而呈现的并且不应成为本发明的限制。
图1是双极型电池的横截面视图；以及
图2是双极型电池的分解视图。
图3a是并入厚的单片式电极的高能量双层电池设计的示意图。
图3b是多层电池的重复单元的示意图，示出了具有集电器并且由每个面上的负电极限界的烧结阴极。
图3c是示例性多层堆叠电池结构的示意图。
图4a是具有85％的密度的电极的照片(俯视图)。
图4b是图4a中示出的电极的侧视的照片。
图4c示出了关于图4a和4b中示出的LiCoO2电极的第6和第7个循环中的充电-放电曲线。
图5是示出对于五种不同的电活性材料作为烧结电极的密度的函数的阴极利用率的曲线图。
图6是示出关于五种不同的阴极化合物的作为密度的函数的比能量的曲线图。
图7是用于按比例扩大这里描述的电池设计的开发阶段的示意图，包括了构建堆叠的双极型电池阵列。
具体实施方式
在一些实施例中，这里描述的电池和设备利用单片式高密度烧结电极。这些电极使得传统电极的电池封装和非活性成分占用的杂散体积和质量最小化，由此导致了具有出众的质量和体积效率的电池和设备。
重大和意外的发现在于，对于在电化学循环期间具有有限的晶体体积改变的阴极，烧结的宏观上厚的(＞200μm)、高密度的(＞理论密度的65％)电极能够按实用的倍率重复地循环，而不会出现机械或电气故障。渗透电极网络在没有传导添加剂和粘结剂的情况下提供了高的电子传导性。该创新实现了具有以前难以达到的体积和重量利用率的新的电池设计。在一个实施例中，这里描述的电池和设备包括液体或凝胶电解质，以获得遍布于这里描述的电极(例如，厚的烧结电极或电极-隔离体子组件)的快速动力学。在其他实施例中，通过电极和电池注入固体聚合物电解质。
呈现高能量和/或高倍率的电活性化合物对于这里描述的质量高效的电池设计是有用的。在一些实施例中，如这里更详细描述的，至少一个电极材料包括金属氧化物或金属氟化物化合物。这些化合物具有适用于该设计方法的本征晶体和物理性质。而且，确信在纳米结构的形式中，这些化合物提供了所需的电化学性能。在一个实施例中，金属氟化物化合物提供了相对较高的本征能量密度和提高的安全性。
该电池架构还集成了创新的负电极和隔离体特征。在一些实施例中，电解质或隔离体层包括与金属锂阳极一起使用的诸如Lipon(锂磷氧氮化物)膜的固体离子传导阻挡膜或者固体聚合物电解质。该组合在抑制锂-枝晶相关的故障方面是有效的。可以使用能够抑制锂枝晶形成的其他阻挡涂层和/或电解质添加剂。
如这里使用的“阴极”和“正电极”可以可互换地使用。再者，如这里使用的“阳极”和“负电极”可以可互换地使用。
再者，如这里使用的“颗粒尺寸”指的是聚集体颗粒尺寸。聚集体颗粒指的是熔融的主要颗粒的支链。聚集体颗粒尺寸指的是聚集体颗粒(而非构成聚集体颗粒的主要颗粒)的平均最大尺寸。聚集体进一步区别于附聚物，附聚物是可以容易地分散的聚集体的松散结合。
对于“纳米级”，指的是小于500mn，并且优选地小于100nm。
本发明提供了一种具有前所未有的质量和体积效率的可制造的、安全的锂可再充电电池技术。为了使非活性成分和电池封装占用的杂散体积和质量最小化，使用了新型的设计方法，该设计方法使用单片式高密度烧结电极(图3)。
在一些实施例中，烧结电极是正电极。除其他之外，烧结电极的使用提供了增加的阴极厚度(＞200μm，对比典型的可再充电电池阴极的约100μm)，同时还具有较高的体积堆积分数(＞化合物的理论密度的65％，对比典型的阴极中的约55％)。该组合允许在电池层级上将非活性材料的质量分数减小到50％以下。在一些实施例中，相对于典型的可再充电电池阴极的要求，所需用于给定的电池容量的电池中的重复层的数目减少了。这里的重复层指的是包括阴极层、阳极层和这两个层之间的隔离体的序列。例如，在一些实施例中，重复层的数目减少约5倍。在一些实施例中，电池包括单个阴极层和单个阳极层，其被称为具有一个重复层的“单电池”。在另一实施例中，电池具有一个电极的中心层和两个外层，这两个外层包括互为镜像的两个重复层，并且被称为“双电池”。在其他实施例中，使用2到100个重复层，但是在任何情况中，在实现与常规的卷绕式或堆叠式电池相同的容量时，更厚的电极允许使用更少的重复层。在一些实施例中，使用2到75个重复层、2到50个重复层、2到25个重复层或者2到15个重复层。由于层数目减少，因此与电池的非活性成分关联的质量也减少了(例如，集电器箔、隔离体、电解质、粘结剂和传导添加剂、调整片以及封装)。因此，在一些实施例中，在电池层级上，非活性材料的质量分数小于约40％、小于约30％、小于约20％或者小于约10％。在一些实施例中，非活性材料的质量分数在约10％到约40％之间、约10％到约30％之间或者约20％到约30％之间。
在一个实施例中，图1和2中的烧结电极，例如阴极101、101’、101”...和阳极102、102’、102”...，在体积上具有至少50％的一个或多个锂存储化合物，并且此外具有其中引入电解质相态的连续或开口孔隙率。电解质相态可以是液体电解质、凝胶电解质或者固体聚合物或固体无机电解质。通过形成锂存储化合物的烧结结构，较之常规的基于颗粒的电极，在烧制过程期间在粉末颗粒之间形成的接触或者“烧结颈”提供了连结颗粒的更大的横截面积。更大的接触面积提供了提高的电极强度、提高的电子或离子传导性、提高的热传导性和更高的体积堆积，同时仍具有足够的用于电池充电和放电的电解质填充孔隙率。
图3中示出了并入厚的单片式电极的示例性高能量电池设计。图3a示出了示例性的双层电池。图3b示出了多层电池的重复单元，其中烧结阴极具有附着在其外周处的集电器并且由每个面处的负电极所限界，由此允许比左侧的图像更大的阴极厚度。图3c示出了示例性的多层堆叠结构。
在另一实施例中，这里描述的堆叠的棱柱设计(例如，图3)被封装在聚合体封装系统中。该聚合系统用于便携式设备的可再充电锂电池并且当前正被开发用于汽车和其他应用的大的高功率电池。该封装方法的优点在于较之金属封装显著减少了质量。
图4示出了这里描述的示例性烧结电极的容量。到现在为止，由于循环期间发生的体积改变而导致的电池材料中的普遍的“电化学研磨”现象使得在电池系统中使用单片式烧结电极是不可想象的。
在图4中，利用电解质浸泡0.7mm厚度的烧结电极并且针对锂金属阳极循环。图4a示出了具有85％的密度的LiCoO2电极的俯视图。如图4a中所示，电极尺寸是1.8×2.4mm。图4b是电极的电子微观图，示出了其0.6mm的高度。图4c是第6和第7个循环的图线。结果证实该电极能够在没有机械或电气故障的情况下重复循环，同时仍获得高的可逆容量。该电极在C/20的倍率下呈现几乎100％的利用率(130mAh/g)，并且在20个循环之后显示了可忽略的容量衰减和没有显示出可检测到的机械损伤。此外，由于该族中的Li1- xCoO2等化合物在被部分脱锂时是优秀的电子导体，因此电极的工作不需要使用单独的传导添加剂。在一些实施例中，在该设计中可以实现高的利用率(例如，高达2C的倍率)。例如，在一些实施例中，这里描述的电极和组件在C/20的倍率、C/10的倍率、C/4、1C、2C或5C下呈现出至少约75％的利用率。在其他实施例中，这里描述的电极和组件在C/20的倍率、C/10的倍率、C/4、1C、2C或5C下呈现出至少约80％的利用率。在另外的实施例中，这里描述的电极和组件在C/20的倍率、C/10的倍率、C/4、1C、2C或5C下呈现出至少约85％的利用率。在一些实施例中，这里描述的电极和组件在C/20的倍率下呈现出约75％-100％的利用率。对于纳米结构的材料获得了更高的性能。
给定烧结电极中的可容忍的体积改变取决于所牵涉的材料的机械性质、使用期间发展的浓度梯度和特定的微结构或纳米结构。为了提供使用期间的机械坚固性，通过材料选择和减少会增加材料的应变故障的微结构长度尺度，从材料和纳米结构来设计电极。因此，在一些实施例中，这里描述的烧结电极和子组件并入了创新的纳米尺度的和纳米复合的阴极材料。在其他实施例中，这里描述的烧结电极和子组件还并入了独特的隔离体方法。在另外的实施例中，这里描述的烧结电极和子组件还并入了低质量的阳极材料和高的比能量。这些材料的选择使得能够实现质量和体积高度高效的可再充电电池。
在一些实施例中，这里描述的可再充电电池具有至少约56cm3的体积(即，等同于D电池)，同时达到＞活性材料的单独的理论比能量的50％，并且在＞600W/kg的功率密度下达到＞300Wh/kg的绝对比能量。通过比较，现今市场上领先的可再充电锂电池实现了250Wh/kg，或者理论限制的约20％。因此，在一些实施例中，提供了递送高于现有主要(单独使用)锂电池(诸如美国军方使用的BA5590)容量的可再充电电池。
在一个实施例中，该电池包括棱柱形式，其包含了堆叠的至少3个重复层，但是其中所述层被布置为使重复层的电压是至少部分加和的。就是说，如同双极型电池设计，包括每个重复层的电池串联连结，产生了电压高于电池中使用的电化电偶的工作电压的完整的电池。在另一实施例中，使用常规的聚合物封装技术来封装可再充电电池。
单片式电极的使用提供了新的设计可能性。在一个实施例中，由于阴极材料通常具有比阳极差的电子传导性，因此阴极而非阳极是单片式烧结电极。因此阴极更加受益于基本上用作其自身的集电器的烧结阴极的电子传导性的增加。相反的布置也在考虑之内，其是其中两个电极均被烧结的布置。而且，在一些实施例中，电极与诸如隔离体和/或集电器的其他电池部件共同烧制或烧结。例如，正电极、隔离体和正集电器被共同烧制以形成单个结构，单独的部件彼此接合。相似地，负电极、隔离体和负集电器被共同烧制以形成单个结构。在一些实施例中，两个电极与隔离体共同烧制。在一些实施例中，共同烧制结构中包括一个集电器。
因此，在一些实施例中，烧结电极通过具有附着到其表面的例如图1和2中的103、103’、103”的隔离体而形成电池的子组件。在一些实施例中，隔离体包括无机化合物、无机-有机复合物或混合物或者有机化合物。在一些实施例中，隔离体包括微粒材料，其被施加到烧结电极并且随后进行热处理。在一些实施例中，隔离体包括烧结微粒陶瓷。在一些实施例中，隔离体包括溶胶-凝胶涂层，其在涂覆之后被可选地烧制。在一些实施例中，电极和隔离体被共同烧制。
在一些实施例中，例如图1和2中的104、104’、104”的集电器与电极或者电极和隔离体共同烧制，以产生其中集电器热接合到电极的子组件。
图3中图示了通过单片式烧结阴极实现的基本的高能量电池设计。在一些实施例中，阴极层被制造厚度为1mm的数量级，在电池的操作期间该阴极层的每一半厚度可以由位于两侧的阳极层完全利用。在图3b和3c的多层电池中图示的一个实施例中，阴极集流调整片接合到电极外周。该接合是使用如下方法实现的，例如，至阴极边缘上的溅射金属膜的金属-金属接合，或者使用传导粘合剂。如图3中所示，在一些实施例中，阳极设计包括铜箔层，其两侧涂覆有锂金属膜或者包括金属合金阳极的膜或涂层。该膜是使用标准涂覆技术来涂覆的。例如，在一个非限制性实施例中，该膜是层压到铜的锂箔。在另一实施例中，该膜是蒸发的锂。在利用锂化阴极的实施例中，阳极处的锂金属的作用主要是成核辅助，用于促进充电时的锂金属淀积，并且适应循环期间的不可逆的锂损失。当使用阳极活性金属合金时，所述合金在电池的循环期间存储和释放锂。该合金可以通过溅射、蒸发、层压、热喷涂或者作为包括金属合金粉末的涂层而淀积。
如上文所述，这里描述的烧结电极和电极子组件实现了比传统的基于颗粒的电极设计更厚的电极。在一些实施例中，单个烧结电极层具有每个面处的相反的电极层，从而烧结电极的基本上一半的厚度与相反的电极层中的每一个交换离子。在这些情况中，烧结电极的活性层厚度是电极厚度的一半。在其他实施例中，烧结电极层附着到诸如金属箔的集电器，并且活性层厚度是整个厚度。在一些实施例中，电极或电极子组件的活性层厚度大于约200μm。在其他实施例中，活性层厚度大于约400μm。在另外的实施例中，活性层厚度大于约600μm。在一些实施例中，活性层厚度是约200μm到约1000μm。
烧结电极和电极子组件是高密度的，特别是相对于传统的基于颗粒的电极设计更是如此。在一些实施例中，活性材料的堆积密度大于化合物的理论密度的约65％。在其他实施例中，堆积密度大于化合物的理论密度的约80％。考虑了数个隔离体的选择。在一个实施例中，电池随后被注入液体电解质，并且使用常规的多孔隔离体膜(例如，厚度约20-25μm)。在另一实施例中，作为针对因锂枝晶形成而引起的内部短路的防护，在多孔阴极上淀积诸如Lipon的固体电解质化合物的共形层。在一些实施例中，Lipon层的厚度是约0.5-1.0μm。在一些实施例中，隔离体(例如，Lipon)层的厚度是约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、或者约1μm。溅射淀积的Lipon膜可以以高度的共形性涂覆多孔阴极。而且，对于0.5mm的阴极厚度，该厚度范围中的膜在对应于2C倍率的电流密度下典型地在循环期间贡献小于0.3V的电位下降。在一些实施例中，这些膜在循环期间贡献小于0.2V的电位下降，循环期间的小于0.15V的电位下降或者循环期间的小于0.1V的电位下降。此外，在一些实施例中，锂金属阳极直接层压到涂覆阴极。这些配置包括例如，约0.5-1.0μm厚度的Lipon膜。在一些实施例中，LiPON膜的厚度是约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm或者约1μm。在一些实施例中，Lipon膜基本上是无针孔的。在一些实施例中，附加的绝缘隔离体被包括在电池或设备结构中。在一些实施例中，使用常规的隔离体。在其他实施例中，可以使用涂覆纳米复合物的隔离体。(参见例如在2008年8月21日提交的题为“Separator for Electrochemical Cell and Method for its Manufacture”的美国专利申请序列号12/196,203，其整体内容通过引用并入此处。)纳米复合物隔离体由于它们相对增强的安全特性而是期望的。
在一些实施例中，烧结电极被首先烧结或者部分烧结，随后隔离体层被施加到其表面，并且子组件随后被共同烧制以接合这两个层并且形成电化学电池的子组件。该共同烧制的隔离体层可以包括电绝缘且电化学惰性的陶瓷或玻璃化合物，包括例如矾土、硅土、锆土、硅酸盐玻璃或者其他此类化合物。在该情况中，共同烧制的隔离体层在烧制之后可以是多孔的。在其他情况中，共同烧制的隔离体可以包括离子传导的但是电子绝缘的化合物，诸如锂磷氧氮化物、碘化锂、晶体或玻璃磷化锂等。在该情况中，共同烧制的隔离体在烧制之后可以是多孔的或者基本上密实的。在任一情况中，共同烧制的隔离体层具有约1微米到200微米的厚度。在一些实施例中，共同烧制的隔离体层具有约1μm到约150μm、约1μm到约100μm、约1μm到约75μm、约1μm到约50μm、约1μm到约25μm或者约1μm到约10μm的厚度。
在其他实施例中，烧结电极与金属集电器共同烧制，所述集电器被施加到烧结电极的一个面或者一个或多个边缘。在一些实施例中，共同烧制的集电器包括金属箔或者在烧制期间烧结的金属粉末。与电极共同烧制的正集电器可以包括铝金属箔或者铝金属粉末。负集电器可以包括铜箔或者铜金属粉末。如果负集电器与具有大于约1V的相对Li金属测量的平均嵌锂电压的阳极活性材料一起使用，则其还可以包括铝箔或者铝粉末。例如，锂钛酸盐尖晶石具有约1.55V的相对Li金属的嵌锂电压，并且可以与铝集电器一起使用。在金属粉末集电器的情况中，共同烧制的组件可以通过如下方法制造：制备与用于制造陶瓷封装和混合电路中的烧制电阻器或者互连的金属粉末配方相似的金属粉浆或者悬浮液，使用丝网印刷、浸渍、喷涂或者其他此类方法将该金属粉浆或悬浮液施加到电极，随后进行干燥、脱脂和烧结。
在一些实施例中，共同烧制的隔离体或者共同烧制的集电器在未经烧制的状态下被施加到处于未烧结状态的至少一个烧结电极，并且这些材料被一起共同烧制。
在一些实施例中，具有烧结电极、可以可选地烧结的隔离体层和相反电极的整个重复层被一起共同烧制。在一些实施例中，包括至少一个电极层、一个隔离体层和一个集电器层的子组件被一起共同烧制。在一些实施例中，包括至少一个单电池、至少一个双电池或者多层电池(包括其隔离体和集电器层)的组件被作为一个单元共同烧制。在其他实施例中，这些共同烧制的层、子组件或者组件至少包括在共同烧制之前处于未烧结或部分烧结状态的电极。
并入共同烧制的或烧结的子组件的电化学电池和设备提供了优点，特别是关于电池或设备的安全性和耐久性的优点。传统的袋状电池的组成部分有随时间解体的趋势。为了防止该解体，必须将最小量的堆叠压力施加到电池或堆叠以避免解体。由于共同烧制的或烧结的子组件的部件被接合，因此它们不易于因不足的堆叠压力而导致解体。因此，电池或子组件的部件之间的接合提供了能够承受使用过程中的物理应力(例如，由电子设备的便携性导致的应力)的更耐久的设备。
而且，电池和设备中的烧结的子组件的使用允许使用数量减少的集电器和隔离体材料。例如，在一些实施例中，集电器主要接触电极的外周(例如，图3b)，而非如同传统设备那样接触电极一侧的整个表面积。由于整个烧结电极是传导的，因此所需用于获得特定量的能量或电流的电极和集电器之间的接触量减少。例如，在一些实施例中，集电器主要被限制在第一电极的外周。例如，在一些实施例中，不同于具有实心矩形的形状，集电器具有边界或框的形状。在一些实施例中，第一电极的接合到第一集电器的部分的外周面积小于其接触的电极的总面积的约50％。例如，接合面积小于其接触的电极的总面积的45％、小于40％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％或者小于10％。
作为该制造过程的示例，诸如LiCoO2的阴极化合物的粉末被首先压实为电极的形状。随后将诸如矾土或硅土的隔离体化合物的粉末悬浮液施加到未经烧制的阴极的一个面。铝粉末集电器悬浮液被施加到未经烧制的阴极的另一面或者边缘。该集电器-阴极-隔离体子组件随后被一起共同烧制。
在任何所提到的前述共同烧制步骤中，使用共同烧制的电子和结构部件领域的技术人员公知的方法来调节粉末悬浮液的配方和烧结电极的配方和压制密度，以实现基本上无缺陷的共同烧制产品。还使用共同烧制领域的技术人员公知的方法来调节烧制制度，其包括烧制温度、时间以及加热和冷却速率。例如，在一些实施例中，部件在空气或氩气中在至少约775℃的温度下被压制和烧制至少约1.5小时。在一些实施例中，在约700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃或更高的温度下执行烧结工艺。在一些实施例中，电极和子组件被烧制约1小时、约1.5小时、约2小时、约2.5小时、约3小时、约5小时或者约10小时。烧制在惰性、氧化或者部分氧化气体气氛中进行，以协助移除粘结剂和残留的有机物，以实现所期望的致密率，并且防止所使用的化合物的不需要的氧化或者还原。共同烧制期间要避免的常见缺陷包括一个或多个部件层的破裂或剥离，由于烧制工艺期间的部件的不同的收缩引起的翘曲，由于部件之间的不同的热膨胀引起的破裂或翘曲，或者电极、隔离体或集电器中使用的构成化合物的组分或相态的改变。
这里描述的电池、子组件和设备的质量利用率取决于所使用的活性材料的特定的物理和电化学性质。
首先，为了说明该电池设计达到该项目的质量利用率和比能量密度目标的潜力，图5示出了关于这里描述的与作为负电极的锂金属一起使用的某些阴极材料的计算结果。当与作为阳极的锂金属一起使用时，活性材料的质量分数主要由阴极决定。例如，图5a示出了作为烧结阴极的密度的函数的阴极利用率，其示出了如下烧结阴极密度，在这些烧结阴极密度下通过活性材料实现了电池的某个质量利用率。图5证明了数个阴极化合物可以在仅约60％的烧结密度下达到80％的质量利用率。在85％的烧结密度下，其中使用LiCoO2来说明阴极，该质量利用率约为90％。这里符号LNMO指的是电活性化合物Li1+x(Ni0.5Mn0.5)1-xO2。(参见例如Argonne National Laboratory在J.Electrochem.Soc.154(3)A264-A274(2007)中报导的工作，其整体内容通过引用合并于此。)在图6中，示出了关于数种候选阴极的本电池设计的绝对比能量。具体地，图6示出了作为烧结阴极的密度的函数的比能量。例如，可以看到通过仅约23％的LNMO阴极密度可以达到500Wh/kg，而在对应于80％的质量利用率的60％的阴极密度下，绝对比能量约为800Wh/kg。应当注意，对于所提出的相对大的形式的电池，性能由活性材料成分决定，封装提供了对于增加质量利用率来说相对小的机会。
因此，在一些实施例中，这里描述的电极和子组件在完成的电池中实现了高达80％的活性材料质量利用率。在其他实施例中，活性材料堆积密度约为理论密度的85％。在另外的实施例中，堆积密度约为理论密度的90％。在一些实施例中，这里描述的电池的材料质量利用率大于约60％、大于约80％或者大于约90％。
在一些实施例中，电极和电极组件在约40％的阴极密度下实现了至少约60％的电池层级上的质量利用率，在约60％的阴极密度下实现了约75％的质量利用率，或者在约70％的阴极密度下实现了约80％的质量利用率。
在一些实施例中，这里描述的电极和组件在约20％到90％、约20％到80％、约20％到70％、约20％到60％、约50％到60％、约50％到70％、约50％到80％或者约50％到95％之间的阴极密度下实现了至少约300Wh/kg的电池层级上的比能量。在一些实施例中，这里描述的电极和组件在约20％到90％、约20％到80％、约20％到70％、约20％到60％、约50％到60％、约50％到70％、约50％到80％或者约50％到95％之间的阴极密度下实现了至少约500Wh/kg的电池层级上的比能量。
相反地，具有约50％的阴极密度的这里描述的电极和组件呈现出约250Wh/kg、约350Wh/kg、约550Wh/kg、约750Wh/kg或者约950Wh/kg的绝对比能量。在约70％的阴极密度下，这里描述的电极和组件实现了至少约300Wh/kg、约400Wh/kg、约600Wh/kg、约800Wh/kg或者约1000Wh/kg的电池层级上的比能量。在一些实施例中，对于约50％的阴极密度，这里描述的电极和组件具有约250Wh/kg到约950Wh/kg、约350Wh/kg到约750Wh/kg或者约450Wh/kg到约650Wh/kg的电池层级上的绝对比能量。
在可以与本发明一起使用的关于可再充电锂化学性质的许多电化学电偶中，表1中示出的数个实施例。表1提供了阴极材料的四个实施例和阳极材料的两个实施例。八种可能性中的六个电偶(下划线)满足或超过500Wh/kg的比能量。
表1.关于与两种阳极(行)一起使用的阴极(列)的以Wh/kg为单位的比能量。加下划线的值表示在80％的质量利用率下超过500Wh/kg的电化电偶。
         NCA     LNMO    BiF3＊       NiF2＊
锂       568     777     574          919
Si合金   377     513     363          509
＊假设具有20wt％的基质的预先锂化的金属氟化物，用以增强传导性
在一些实施例中，针对烧结电极在电化学循环期间对微裂化的耐受性来对其进行选择。烧结电极可以按照抗热震陶瓷的方式来耐受一定程度的微裂化，但是不能损失其烧结颗粒网络的不间断性并且不会受到宏观裂化的困扰。烧结电极被设计为以高机械强度为代价而对损伤有耐受性。可以从用于抗热震应用的陶瓷材料的领域选择适当的材料和材料加工参数。
在一个实施例中，烧结电极还包括一个或多个相态，其被添加用于提供电极的改进的烧结。示例性添加剂可以是包括金属、金属合金或陶瓷的无机化合物，或者可以是一个或多个聚合物或有机化合物。在烧结中使用的烧制温度下，添加剂可以是固体或者玻璃态或者液体。例如，氧化物阴极粉末可以与铝粉末混合、被压制和烧制到高于环境温度但是低于铝的熔点(660℃)的温度，以便于建立金属-陶瓷接合而基本上不会使LiCoO2分解。硅酸盐或硼硅酸盐玻璃粉末可以被用作烧结辅助，用于接合氧化物阴极粉末并且改进颗粒之间的致密性或者烧结颈形成的程度。PVdF和碳的混合物，或者诸如Bayer公司的PEDOT的传导聚合物，或者具有与较高玻璃转变温度结构嵌段混合的低玻璃转变温度离子传导嵌段的嵌段共聚物，可以用于在相对低的烧制温度下接合氧化物粉末。
在一些实施例中，添加剂相态是改进烧结电极的电子或离子传导性的传导材料。在一些实施例中，在烧结电极的孔隙表面上，例如在电极的内表面上，添加剂相态形成了连续的或部分连续的涂层。在一些实施例中，该涂层是在电池的使用条件下电化学稳定的碳或金属。例如，铝适于作为正电极添加剂并且铜或钛适于作为负电极添加剂。在一些实施例中，孔隙表面涂层在电极的烧制期间自然地形成。在一些实施例中，孔隙表面涂层是在电极已被烧结之后施加的。在一些实施例中，孔隙表面涂层是通过气相淀积施加的。在一些实施例中，孔隙表面涂层是通过液体的渗透，随后通过干燥并且可选地通过烧制工艺而施加的。
在一些实施例中，添加剂相态改进了电极的强度或者断裂韧度或者损伤耐受性或者在热循环或电化学循环期间对疲劳的抵抗性。在一些实施例中，该相态是韧性固体，包括但不限于金属、金属合金和聚合物，包括上述传导添加剂材料。例如，铝金属和铜金属分别改进了烧结氧化物阴极和阳极的强度和断裂韧度。聚合物典型地比陶瓷和金属更具韧性并且可以改进烧结电极和子组件的强度和断裂韧度。
在一些实施例中，控制烧结电极或子组件的孔隙率。在一些实施例中，孔隙分数、孔隙形状、孔隙拓扑和烧结电极中的孔隙率的空间分布被选择为改进电极的电化学和机械功能。在一些实施例中，可移除的或者“易变化的”材料被添加到电极以便于形成所期望的孔隙配置。在一些实施例中，可移除材料是冰，或者无机或有机化合物或聚合物，包括随后通过升华、高温分解或者化学溶解而移除的碱卤化物、萘、橡胶、聚乙烯醇、多乙酸乙烯酯或聚苯乙烯，或者通过在升高的温度下的氧化而移除的碳颗粒，或者通过化学溶解而移除的玻璃或金属纤维。在一些实施例中，通过在烧结之前将可移除或者部分可移除的材料的纤维并入到密实的粉末电极中，从而将具有相对高的长度/直径纵横比的孔隙通道引入到烧结电极中。在一些实施例中，这些纤维包括聚合物或玻璃或碳纤维。在一些实施例中，孔隙率从集电器侧到隔离体界面在电极的厚度上逐渐变化以便于提供电极的更高的利用率或者功率。
在一些实施例中，烧结电极或子组件包括进行电化学循环之后增加了其电子或离子传导性的能量存储化合物。这通常是有益的并且如果循环引入了电极中的一些机械损伤或者连接性的损失，则其可能是特别有益的。考虑例如诸如LiCoO2或LiMPO4或Li4Ti5O12的正电极材料，其中M包括金属。当这些化合物被选择或设计为能够适应富含锂的固溶体时，固溶体的创建因过渡金属的更大的多价性而导致了电子传导性的增加。在通常在高锂化状态中产生的正电极化合物的前两个示例中，由于锂的一些不可逆的损失，即使在电池被完全放电时，在某些电化学电池中的使用仍使得它们部分地消耗Li。结果，这些化合物增加了电子传导性并且在初始电化学循环或电池“形成”之后可用在更高传导性的状态中。在Li4Ti5O12的示例中，这是在使用期间被嵌入锂的负电极化合物。嵌锂同样地增加了化合物的电子传导性，改进了其作为烧结电极的功能。
“层状”氧化物的同一族中的示例性氧化物阴极包括LiCoO2和LiNiO2，并且示例性金属氟化物来自转化或置换反应材料的族。这些阴极材料当前处于各种技术成熟阶段。NCA和LNMO是LiCoO2的较高能量密度的衍生物。
NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)是层状氧化物和商用成熟的阴极。该材料较之LiCoO2在充电时具有更大的体积改变(-6％对比+2％)，这可能影响烧结电极的机械耐久性，并且降低充电状态的安全性，特别是对于减小的颗粒尺寸来说更是如此。然而，本电极设计的优点在于，伴随烧结的特定表面积的减小有助于缓解典型地伴随颗粒尺寸减小而出现的安全性问题。
层状氧化物化合物Li1+x(Ni0.5Mn0.5)1-xO2，其中x在0和约0.3之间(LNMO)，其提供了比NCA高出多达25％的能量，并且近来在实验室实验中已证实合理的循环寿命和倍率性能。该化合物在充电时具有低的体积膨胀(+3％)，使其对于当前的设计是有吸引力的。使用Argonne National Laboratory的研究人员报导的工艺中描述的方法(J.Electrochem.Soc.154(3)A264-A274(2007))(其整体内容通过引用合并于此)来产生和放大该氧化物。该工艺使用在搅拌釜式反应器中在碱性条件下共沉淀的Ni0.5Mn0.5(OH)2前体。氢氧化物随后与略微过量的Li2CO3混合并且在空气中在1000℃下煅烧12小时。
在其他实施例中，正电活性材料是金属氟化物。金属氟化物具有作为安全的、非常高容量的阴极材料的重要的属性。
示例性金属氟化物包括BiF3、CoF2和NiF2。如同针对FeF3和BiF3所成功进行的，这些材料可以被制备为纳米复合物的形式。例如，BiF3已同碳或MoS2一起配制为传导基质以获得高度可逆的、高能量密度的纳米复合物。BiF3-20％MoS2纳米复合物具有比NCA更高的能量密度并且是更安全的。尽管体积膨胀较大(对于NiF2是小的)，但是它们基于韧性基质材料的事实(MoS2是广泛地用作润滑剂的“片状”石墨状材料)表明含有MoS2的纳米复合物将拥有能够无故障循环的耐用的机械性质。NiF2提供了明显比BiF3更高的能量密度潜力。
尽管实现了出众的能量密度，但是在也没有提供工作锂离子的源的情况下，金属氟化物纳米复合物不能被直接并入到Li离子电池中。锂化纳米复合物(MeFx→Me+xLiF)的受控形成是极其重要的，原因在于其是金属氟化物域中形成的亚纳米复合物。存在至少两种面向纳米复合物的预先锂化的方法，这两种方法均导致所期望的(LiF+Me)亚纳米复合物，其中除其他金属之外，Me可以是Fe、Ni、Co和Bi。一种技术是通过化学或物理手段直接制造LiF+Me的纳米复合物。另一种技术是利用应用于预先制造的金属氟化物的还原反应。后者的反应具有优于前者的许多益处。实用的益处在于，非常难于通过由组织管理严密的方法在由纯金属和碱氟化物构成的1-2nm的尺度上直接形成纳米复合物。通过与还原剂或电位的物理、热或者电化学相互作用来驱动的还原反应是用于形成非常精细的纳米结构的最好的方法。通过该技术，在通过成核和生长工艺促进成分(LiF和Me)的形成时，可以在1-2nm的尺度上形成纳米复合物。
金属氟化物提供了高的比能量以及能量密度。表2示出了金属氟化物的数个实施例，其提供了远高于目前本领域的插层材料所例示的600-800Wh/kg的比能量密度。预先锂化技术可以被应用于Ni。预先锂化不仅向工程人员提供了LiF/Me领域的能力而且向工程人员提供了新的混合传导基质。
表2.关于多种简单的二价和三价氟化物的在与Li的转化反应期间预期的理论平均电压、比容量和比能量。
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在一些实施例中，锂存储材料包括化合物LixMyXO4Zz，其中M包括金属，X是P、S或As，并且Z是卤素，其包括但不限于橄榄石或NASICON结构类型的化合物或者其中M包括一个或多个第一行过渡金属的化合物。在一些实施例中，电极包括经掺杂的磷酸锂铁橄榄石或者经掺杂的磷酸锂锰橄榄石或者此两者的固溶体。在烧结电极以及基于这些电极的电池中可以使用锂金属磷酸盐、硅酸盐和硫酸盐，包括在橄榄石结构中结晶的LixMyPO4(其中M包括一个或多个第一行过渡金属和其他非过渡金属)组分的锂金属磷酸盐、硅酸盐和硫酸盐。这些橄榄石有利于范围广泛的应用(包括电动工具、运输和固定动力应用)的高功率和长寿命电池。示例性的锂存储材料包括美国公开申请2004/0005265(对应于题为“Conductive Lithium Storage Electrode”的美国专利申请No.10/329,046)；在2006年4月3日提交的题为“Nanoscale Ion Storage Materials”的美国专利申请No.11/396,515；和在2006年9月11日提交的题为“Lithium Secondary Cell with High Charge And Discharge Rate Capability And Low Impedance Growth”的美国专利申请No.11/518,974中公开的材料，每个文献的整体内容通过引用合并于此。
在一些实施例中，正电极包括作为电活性材料的锂-过渡金属-磷酸盐化合物。锂-过渡金属-磷酸盐化合物可以可选地掺杂有金属、非金属或者卤素。在一些实施例中，正电活性材料是橄榄石结构化合物LiMPO4，其中M是V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种，其中该化合物可选地在Li位、M位或O位掺杂。通过添加金属或非金属补偿Li位的缺陷，而通过添加卤素补偿O位的缺陷。在一些实施例中，正活性材料是具有橄榄石结构并且具有化学式(Li1- xZx)MPO4或Li(M1-xZx)PO4的热稳定的、掺杂过渡金属的锂过渡金属磷酸盐，其中M是V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种，并且Z是诸如Ti、Zr、Nb、Al、Ta、W或Mg中的一种或多种的非碱金属掺杂剂，并且x的范围是从0.005到0.05。在典型的电池中，电活性材料是(Li1-xZx)MPO4，其中Z是Zr、Nb或Ti。
经掺杂的磷酸锂铁化合物可以从锂盐、铁化合物和磷盐的起始材料制备，这些起始材料包括但不限于，碳酸锂、磷酸铵和草酸铁，其已被添加有典型地作为金属氧化物或金属醇盐的低添加浓度的掺杂剂金属(诸如Mg、Al、Ti、Fe、Mn、Zr、Nb、Ta和W)。在低氧环境中在300℃到900℃的温度下对粉末混合物加热。这些化合物在室温及其附近的温度下呈现出增加的电子传导性，这对于将它们用作锂存储材料是特别有利的。关于这些化合物的组分和制备的进一步的细节可以在美国公开申请2004/0005265(对应于题为“Conductive Lithium Storage Electrode”的美国专利申请No.10/329,046)中找到，其整体内容通过引用合并于此。
在一些实施例中，碱过渡金属磷酸盐包括在2006年4月3日提交的题为“Nanoscale Ion Storage Materials”的美国专利申请No.11/396,515中描述的碱过渡金属磷酸盐，其整体内容通过引用合并于此。示例包括橄榄石(AxMPO4)，NASICON(Ax(M’，M”)2(PO4)3)，VOPO4，LiVPO4F，LiFe(P2O7)或者Fe4(P2O7)3结构类型的纳米有序或部分无序的结构，其中A是碱离子，而M、M’和M”是金属。
在一个实施例中，正电极活性化合物具有Lix-aM″aFePO4的总体组分。
在一些实施例中，正电极活性化合物是LiFePO4。
在一些实施例中，正电极活性化合物是LiCoO2。
在作为锂存储材料的使用期间，电极材料经历相当大的摩尔体积改变(摩尔体积被定义为一摩尔的单位化学式的化合物的体积，例如一摩尔的LiMPO4的体积，其中M是金属)。锂嵌入或移除时的摩尔体积的改变可以归因于化合物的相态的膨胀或收缩或者归因于材料的相态的改变，该改变包括不同的晶体相态之间的改变或者晶体和无定形相态之间的改变。具有大的体积差异的不同状态之间的多个电循环可能导致电极的机械故障，例如宏观裂化。在一些实施例中，摩尔体积的改变可以超过2％，或者在组分LiCoO2和Li0.5CoO2之间的循环期间可以超过LiCoO2的体积改变。在一些实施例中，摩尔体积的改变可以超过约5％，或者甚至约10％。
提供了烧结纳米结构和工艺，其提供了高密度的、电子传导的、机械耐用的单片式电极和子组件。在一些实施例中，由于阴极化合物典型地具有较差的电子传导性，因此阴极是多孔致密部件，并且最大地受益于所提出的设计。在其他实施例中，阳极是多孔部件。从被合成或粉碎为纳米尺寸的初级晶体的粉末开始(为了功率)，烧结提供了具有所期望的密度和颗粒尺寸的电极。烧结阴极的微结构和物理/机械性质以及电化学循环测试能够建立作为循环速率和微结构长度尺度的函数的机械耐久性和循环寿命。例如，可逆的微裂化可能是可接受的。直接实验允许迭代地减少阴极活性材料的长度尺度以改进倍率性能和寿命，以便于达到提供所期望的性能水平的材料、微结构和工艺的组合。
在一些实施例中，通过干压、辊压或流延成型(tape casting)来制备例如7.4×7.4cm的较大尺度的阴极。这些工艺是陶瓷加工领域的技术人员公知的形成工艺。流延成型良好地适用于大的、薄的平坦陶瓷部件。1mm的厚度良好地在流延成型的厚度范围内，并且该工艺适用于大量生产。流延成型工艺包括如下步骤：
a)浆料制备：起始浆料由纳米复合物氧化物或氟化物、载体液体以及可选的用于使浆料悬浮液稳定的各种添加剂组成。稳定的悬浮液是在成型期间获得均匀颗粒分布的关键。在一些实施例中，添加剂包括反絮凝剂、润湿剂、粘结剂和烧结助剂中的一个或多个。例如，在一些实施例中，使用经编程的混合速度和时长在罐磨机中制备浆料。除了载体液体和添加剂类型之外，浆料制备中的其他关键的变量包括罐和研磨介质的尺寸和组分以及浆料中的固体负荷。可以使用Brookfield DV-E旋转粘度计例行地测量浆料粘度。
b)流延成型：浆料被流延成型以形成电极材料的生片。在流延成型工艺中，关键的变量是浇注口、浇注速度和干燥方法。示例性的干燥工艺包括辐射加热、传导加热和暖风加热的各种组合以移除浆料中使用的溶剂载体。对工艺变量进行调整以达到垂直轴上的均匀的粉末密度、均质的粘结剂分布以及没有表皮形成的表面均匀性。
c)烧制：在受控的气氛下使用经编程的加热时间表来烧制成型的生件。在一些实施例中，为了通过烧结步骤保持好的膜均匀性，严格地控制加热速率，特别是在接近起始点时，用于烧尽粘结剂以使膜的膨胀或裂化最小。在粘结剂烧尽之后，在一些实施例中，烧制步骤继续，将电极材料烧结到所期望的孔隙率。可以在DSC/TGA数据的帮助下建立适当的加热条件以限制因基质材料的过度的晶粒生长或者偏析引起的纳米结构的劣化。
在一些实施例中，这里描述的电池和设备包括锂金属阳极。在其他实施例中，电池和设备包括无定形金属合金阳极。
在一个实施例中，负电活性材料包括锂金属。在另一实施例中，负电活性材料包括锂合金。在一个示例中，阳极是锂金属，其能够使能量密度最大化。由于阴极材料被预先锂化，因此阳极中的锂对可逆容量没有贡献，但是其用于补偿首次循环损失并且提供增强充电期间淀积的膜的质量和可逆性的模板。将锂金属阳极淀积到铜集电器基板上的气相淀积是一种用于制造阳极的方法(另一种方法是薄锂箔的物理层合)。对于锂，在一个实施例中，使用真空热蒸发源。如果Lipon提供了充分无缺陷的阻挡，则将锂直接淀积在Lipon上将消除液体电解质并且使界面完全稳定防止枝晶的形成。
另一示例性阳极材料是基于Si或Sn的锂合金。基于锂合金的电池设计将使用通过使用常规的电极浇铸方法生产的阳极。
在一个实施例中，隔离体是Lipon阻挡涂层。例如，使用薄膜材料的物理气相淀积来制备Lipon阻挡涂层。一个示例性工艺溅射淀积锂磷氧氮化物电解质，其被称为Lipon。该电解质被淀积为用于薄膜阻挡的薄膜(例如，0.5到3微米厚)。该材料是无定形的，因此不存在用作锂枝晶生长的通路的晶粒边界。Lipon在＞300℃是稳定的并且对于锂是电化学稳定的，并且对于＞5.5V的电池电位是稳定的。锂离子输运对于薄膜是足够的，向电池电阻添加了约100Ωcm2，并且电子传导是可忽略的。特别高的电子电阻确保了自放电率是低的。Lipon理想地用于增加安全性和比能量。
该方法理想地提供了电解质在沿晶体边界的槽中的良好的覆盖，以避免电池中的任何内部短路。存在用于实现良好的膜覆盖的公知的技术。
Lipon通常是在其中大部分溅射原子在它们到达基板时具有热能和离轴冲击角度的条件下通过RF磁控管溅射而生长的。可以使用各种基板对准、电场和磁场配置以及工艺气体组分和压力的控制来改进膜覆盖。可以针对覆盖、组分、微结构、密度和锂传导性对Lipon膜进行评估。
在一些实施例中，隔离体技术方法还包括如上文所述的嵌入专利纳米复合物隔离体技术。这些创新的隔离体将被涂覆到单片式阴极上。纳米复合物隔离体提供了减少杂散重量和在过充或冲击事件中增强安全性的潜力。
示例性涂覆纳米复合物隔离体包括在2008年8月21日提交的题为“Separator for Electrochemical Cell and Method for its Manufacture”的美国专利申请No.12/196,203中公开的隔离体，其整体内容通过引用合并于此。例如，在一些实施例中，隔离体是包括无机填料(或陶瓷)颗粒和聚合物的多孔复合材料。隔离体由高度均匀分布的无机填料材料和聚合物形成，就是说，在整个膜上不存在聚合物和无机填料材料的可辨别的不均匀分布。基本上不存在具有主要是聚合物或者陶瓷材料的可辨别区域的膜区域。在电化学电池中使用时隔离材料应是电子绝缘的。
陶瓷隔离体的使用提供了优于常规的聚合物隔离体的安全性优点。在烧制或烧结工艺期间，常规的聚合物隔离体有收缩的趋势，由此降低了电极和隔离体之间的接合的效力。包括陶瓷材料的隔离体在被烧制时不收缩。因此，隔离体和电极(多个)之间的接合保持为强的，分离的趋势很小。
可以通过利用包括聚合物、用于聚合物的溶剂体系和分散在溶剂中的陶瓷材料的涂覆溶液，将用于电化学电池的隔离体膜直接形成在电极上。将隔离体膜组件从溶液施加到电极层提供了两个层之间的耐久的接合。隔离体前体溶液被涂覆到电极表面上以便于形成液体层。从该层移除溶剂，留下包括聚合物和陶瓷材料的多孔固体。最终通过加热一段时间到高于聚合物的熔化温度(Tm)或玻璃转化温度(Tg)的温度来使该聚合物固化。结果，隔离体膜被直接接合到电极表面，从而该膜通常具有至电极活性层的良好的粘合性。该出色的粘合性通过减少电极和隔离体膜之间的界面电阻而改进了性能。
与涂覆的纳米复合物隔离体一起使用的示例性聚合物材料包括与特定的电池系统的化学性质相容的聚合物。聚合物应是电绝缘的，应具有在电解质溶剂中的低的可溶性并且在电池中是化学和电化学稳定的。聚合物可以是单聚合物或聚合物的混合物。示例性材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)基聚合物，诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)及其与六氟乙烯(hexafluoroethylene)、四氟乙烯、氯三氟乙烯、聚氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚丁二烯、氰乙基纤维素、羧甲基纤维素的共聚物和三元共聚物以及其与苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯腈、乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚酰亚胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物的混合物。在锂和锂离子电池系统以及其他电池系统中有用的一组聚合物包括氟化聚合物和胶乳聚合物，诸如苯乙烯丁二烯和其他苯乙烯基聚合物。胶乳聚合物体系往往形成聚合物悬浮液并且可能不溶于液体载体。包括聚偏二氟乙烯共聚物和三元共聚物的聚偏二氟乙烯聚合物组合物是具有特定用途的一组聚合物。本领域中存在多种已知和可用的此类材料，并且这些材料可以包括基本上均质的PVDF以及混合物和共聚物。一种具体的材料是在商标Kureha 7208下销售的PVDF材料。同样地可以使用其他等同的和相似的材料。参见例如，上文为了制备阳极和阴极活性层而讨论的材料。
涂覆的纳米复合物隔离体的无机成分选自多种天然和人工材料，所述多种天然和人工材料与其中将并入膜的特定的电池系统和化学性质相容。两个或更多种适当的无机成分的混合物在考虑之内。无机成分可以是陶瓷材料。一组具体的陶瓷材料包括硅土，发烟硅土是可以使用的一种特定的形式的硅土。发烟硅土是高表面积的、通常高纯度的硅土材料。发烟硅土通常是亲水性的并且可以容易地通过大部分电解质溶剂和许多极性聚合物而润湿。已在一个或多个实施例中使用的材料具有约200m2/g的表面积。颗粒是非常小的并且直径典型地小于500nm，或者小于200nm，并且更典型地约为10-20nm。在一个或多个实施例中，陶瓷材料是具有窄的颗粒尺寸分布以及基本上球形的发烟硅土。发烟硅土可以在四氯化硅(SiCl4)的仔细控制的反应中制备，其导致了高度可控的和窄的颗粒尺寸分布。在一个实施例中，可以使用具有约14nm的颗粒尺寸的发烟硅土。
其他硅化合物可以用作隔离体的陶瓷成分，诸如例如多面体低聚倍半硅氧烷(polyhedral oligomeric silesquioxane，POSS)，其在本公开的背景下被视为陶瓷材料。其他陶瓷材料包括天然的和合成的沸石、矾土、氧化钛等。此外，可以使用具有适当尺寸的其他电化学稳定的无机颗粒，例如MgO、CaCO3和其他金属碳酸盐、氧化锆、磷酸硅和硅酸盐。陶瓷材料可以单独地或组合地使用，并且具有均匀的或混杂的尺寸和形状。
涂覆溶液的制备中使用的溶剂体系包括其中涂覆溶液的至少一种成分能够溶解聚合物成分的任何溶剂体系。如果不能够溶解聚合物，则可以使用适当的第二个或者另外的成分，该另外的成分是与第一溶剂高度易混合的。优选地，在随后的加工步骤期间溶剂被相对容易地移除。已被发现可以结合基于PVDF的膜使用的一种溶剂包括N-甲基吡咯酮(NMP)，并且NMP可以与诸如例如丙酮、乙酸乙酯和乙酸丙酯的另一溶剂混合以获得适当的浆料流变。作为示例，不同沸点的溶剂可以用于控制溶剂蒸发速率并且因此控制在液体浆料的干燥期间生成的膜应力。在本发明的一个实现方案中利用的一种具体的溶剂混合物包括基于体积的30∶70的NMP/丙酮混合物。其他溶剂混合物包括30％的NMP和70％的乙酸丙酯、甲基乙基酮(MEK)或者乙酸乙酯。复合物浆料是相对均质的悬浮液，其在没有剪切(shear)的情况下是相对稳定的。
这里描述的高能量密度电池使用常规的基于碳酸盐的电解质操作。在一些实施例中，使用本领域的技术人员已知的用于抑制锂枝晶形成(海绵状锂)的添加剂。电极整料中的电介质润湿不是主要的问题。然而，所提出的横截面较大的电极可能需要表面活性剂/表面功能化以及颗粒/孔隙尺寸工程以易化润湿和电极渗透。
在一个实施例中，电解质体系包括用于获得遍布电极的快速动力学的液体电解质。除了LiPON固体电解质阻挡以外的液体电解质的使用对于牵涉厚的电极(诸如这里描述的烧结电极和烧结电极-隔离体子组件)的情况是特别有用的。
电极可以被并入到具有任何尺寸、设计或几何特征的任何能量存储设备中。在一个实施例中，电极被并入到双极型电池中。双极型电池包括至少两个电化学电池，其中连续的电池的负和正电极共享公共的集电器并且串联堆叠。因此电池电压是加和的。由于使惰性材料的数量和电流路径最小，因此该设计的优点是高的功率和能量密度。在一些实施例中，由于不同颗粒之间的电气通路是连续的，因此烧结电极允许使用较厚的电极。再者，烧结电极在厚度上比传统的润湿溶剂浆料成型电极涂层更均匀。这在双极型设计中是重要的，这是因为电池-电池之间的容量或功率性能的变化能够使使用复杂化。
在另一实施例中，使用与基于铝的集电器相容的负电极(例如，Li4Ti5O12)。这允许将正和负电极被涂覆在相同的集电器材料上，简化了制造和操作并且降低了成本。
在另一实施例中，使用低应变或零应变电极材料用于双极型电池的负和正活性材料。可替选地，负和正电极材料是匹配的，以实现最小化的净体积改变。LiMPO4和Li4Ti5O12是低应变或零应变材料的示例。这使得堆叠中的机械应变最小。
在另一实施例中，在双极型电池中使用氧化还原穿梭电对。氧化还原穿梭电对(redox shuttle)是在定义的电位或电压下使电流“往返”或者允许电流从阴极传递到阳极的电化学化合物或者电活性添加剂。氧化还原穿梭电对可以用作电池的受控自放电并且因此可以用于使双极型堆叠中的电池平衡。例如，如果一个电池具有低于堆叠中的其他电池的容量，则其将更快地达到充满电的电压。然而，由于电池是串联的，因此电流必须继续流过该充满电的电池，以便于其他电池变得充满电。氧化还原穿梭电对允许充满电的电池在没有过充的情况下保持该充电状态(SOC)。
在另一实施例中，在集电器之间或者在负和正电极之间使用电活性聚合物以允许定义的电位或电压下的受控的自放电。这与氧化还原穿梭电对相似。然而，不同于作为电解质中的成分，电活性聚合物是电池设计的一部分。隔离体包括多孔支架，该多孔支架包括电子绝缘材料和电活性材料的颗粒，其中电活性材料形成多孔隔离体中的渗透路径。电活性聚合物的特性包括电池电解质中的不溶性、高于正电极的正常充电电位并且低于电池中发生降解反应的电位的氧化电位、针对置于负电极附近的聚合物因负电极引起的还原的稳定性、对“过氧化”(其中“过氧化”被定义为导致针对聚合物的不可逆的改变的氧化)的抵抗性、以及足以在充电期间分流电流的氧化状态中的传导性。在2008年6月2日提交的题为“Solid State Separator for Overcharge Protection”的美国专利公开No.2009/0029261(对应于申请序列号12/131,892)中描述了适当的材料和设计，其整体内容通过引用合并于此。
示例性电活性聚合物(电压窗口)包括聚噻吩(3.8V到4.8V)、聚吡咯(3.3V到4.3V)、聚芴、聚对苯撑乙烯、聚苯胺、聚苯硫醚、聚苯胺、聚吡咯和聚苯醚，任何这些聚合物可以包括诸如烷基、芳烃和/或卤素取代基的取代基。示例性的取代聚合物包括聚(3-丁基噻吩)和聚(二辛基芴)。
示例性电子绝缘材料可以由任何如下惰性材料制成，该惰性材料是电子绝缘的并且可以提供电活性材料和电解质的结构性支撑。其可以是有机聚合物或陶瓷材料。结构绝缘材料可以选自与其中将并入隔离体的特定电池系统和化学性质相容的多种天然和人工材料。在一个或多个实施例中，惰性结构绝缘材料形成了连续相态。示例性材料包括聚合物，这些聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、乙烯丙烯共聚物、聚醚砜、或者锂离子电池的隔离体的领域的技术人员已知的相似的聚合物。示例性材料还包括诸如陶瓷氧化物的陶瓷粉末。一组具体的陶瓷材料包括硅土，发烟硅土是可以使用的一种特定形式的硅土。发烟硅土是高表面积的、通常高纯度的硅土材料。发烟硅土通常是亲水性的，并且在实践本发明时利用的材料具有约200m2/g的表面积。可以利用其他的硅化合物作为隔离体的陶瓷成分。另一示例性的基于硅的材料是多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)，其在本公开的背景下被视为陶瓷材料。其他陶瓷材料包括天然的和合成的沸石、矾土、氧化钛、氧化镁等。结构绝缘材料可以单独地或组合地使用。结构绝缘材料可以是具有小于约2μm、或者小于约0.5μm或者小于约0.1μm的颗粒尺寸的颗粒。
如图3中图示的，示例性电池是从5和10个7.4×7.4×0.1cm的电极之间的并联阵列堆叠组装的棱柱袋状电池。电极面积的扩大和并联阵列的构建可以在增量开发阶段中实现(图6)。图6图示了被组装为7.4cm电极的1cm并联堆叠的56cm3的原型。
在一些实施例中，电极被组装为并入锂箔阳极、聚丙烯隔离体和1M LiPF6：碳酸烷基酯电解质的实验袋状电池。在一些实施例中，组装的电池在C/10下经历了数次形成循环。
容量和倍率性能测试。使用所建立的测试协议在例如Maccor 96通道电池测试仪的计算机控制的电池测试仪上评估电池。电池最初在C/5的低恒定电流下循环以确定电极或电池容量。随后，它们在不同的C倍率下循环以检查倍率性能。
循环测试。可以在所选择的C倍率下对电化学电池进行充电和放电，直至可逆容量减弱到首次循环容量的80％以下，以检查循环稳定性。执行不同温度下的循环以检查材料和电池设计的热稳定性。
阻抗分析。例如使用具有SI 1287电化学接口的Solartron S11260阻抗/增益-相位分析仪，在循环之前和之后交替地对电池进行阻抗分析。电化学阻抗光谱学(EIS)用于将纳米复合物电极的输运性质的特征描述为充电状态的函数。EIS数据可以用于建立宏观响应和电极微结构之间的量化联系。使用三电极电池配置的多维阻抗分析被使于更好地理解不同充电状态下的材料和电解质之间的相互作用。薄的锂箔(200μm)可用于制备对电极和参考电极。
滥用测试。执行ARC测量以评估各种电极/电解质组合的基础热稳定性性质。根据关于可再充电锂电池的UL标准测试程序的热箱、穿刺和过充测试也建立了电池安全性。

Claims (91)

1.一种在电化学设备中使用的子组件，包括：
(a)第一电极；以及
(b)隔离体或者第一集电器或者隔离体和第一集电器，
其中，所述第一电极被接合到所述隔离体或者所述第一集电器或者被接合到隔离体和第一集电器。
2.如权利要求1所述的子组件，其中，所述第一电极被热接合到所述隔离体或者所述第一集电器或者被热接合到隔离体和第一集电器。
3.如权利要求1所述的子组件，其中，所述子组件是烧结子组件。
4.如权利要求1所述的子组件，其中，所述第一集电器和所述隔离体被接合到所述第一电极的相反表面。
5.如权利要求1所述的子组件，其中，所述隔离体包括有机化合物、无机-有机复合物或混合物、无机化合物、微粒材料或者烧结微粒陶瓷。
6.如权利要求1所述的子组件，其中，所述第一电极包括层状氧化物、金属氟化物或者锂-过渡金属磷酸盐化合物，其可选地包括掺杂剂金属。
7.如权利要求4所述的子组件，其中，所述第一集电器主要被限制到所述第一电极的外周。
8.如权利要求7所述的子组件，其中，所述第一电极的接合到所述第一集电器的部分的外周面积小于所述第一电极的总面积的约50％。
9.如权利要求1所述的子组件，包括第一电极和隔离体，进一步包括第二电极，其中，所述第一和第二电极被接合到所述隔离体的相反表面。
10.如权利要求9所述的子组件，其中，所述第一电极、所述第二电极或者所述第一电极和第二电极包括烧结电极。
11.如权利要求4所述的子组件，进一步包括第二电极，其中所述第二电极被接合到所述隔离体。
12.如权利要求4所述的子组件，进一步包括第二电极和第二集电器，其中，所述第二电极和所述第一电极具有至所述隔离体的相反表面的热接合，以及其中，所述第二集电器和所述隔离体被接合到所述第二电极的相反表面。
13.如权利要求12所述的子组件，其中，所述第一电极是正电极，所述第二电极是负电极，所述第一集电器是正集电器，并且所述第二集电器是负集电器。
14.如权利要求1所述的子组件，其中，所述子组件的厚度至少约为200μm。
15.如权利要求1所述的子组件，其中，所述子组件的密度至少约为理论密度的65％。
16.一种在电化学设备中使用的子组件，包括：
(a)第一烧结电极；以及
(b)烧结的隔离体或者第一集电器、或者烧结的隔离体和第一集电器两者，
其中，所述第一烧结电极被接合到所述烧结隔离体或者第一集电器或者被接合到所述烧结的隔离体和第一集电器两者。
17.如权利要求16所述的子组件，其中，所述第一烧结电极被热接合到所述烧结隔离体或者第一集电器，或者被热接合所述烧结隔离体和第一集电器。
18.如权利要求16所述的子组件，其中，所述子组件是烧结子组件。
19.如权利要求16所述的子组件，其中，所述第一烧结集电器和所述烧结隔离体被接合到所述第一烧结电极的相反表面。
20.如权利要求16所述的子组件，其中，所述隔离体包括有机化合物、无机-有机复合物或混合物、无机化合物、微粒材料或者烧结微粒陶瓷。
21.如权利要求16所述的子组件，其中，所述第一烧结电极包括层状氧化物、金属氟化物或者锂-过渡金属磷酸盐化合物，其可选地包括掺杂剂金属。
22.如权利要求19所述的子组件，其中，所述第一烧结集电器主要被限制到所述第一烧结电极的外周。
23.如权利要求22所述的子组件，其中，所述第一烧结电极的接合到所述第一集电器的部分的外周面积小于所述第一烧结电极的总面积的约50％。
24.如权利要求16所述的子组件，包括第一烧结电极和烧结隔离体，进一步包括第二烧结电极，其中，所述第一和第二烧结电极被接合到所述烧结隔离体的相反表面。
25.如权利要求19所述的子组件，进一步包括第二烧结电极，其中所述第二烧结电极被接合到所述烧结隔离体。
26.如权利要求19所述的子组件，进一步包括第二烧结电极和第二集电器，其中，所述第二烧结电极和所述第一烧结电极具有至所述烧结隔离体的相反表面的热接合，以及其中，所述第二集电器和所述烧结隔离体被接合到所述第二烧结电极的相反表面。
27.如权利要求26所述的子组件，其中，所述第一烧结电极是正电极，所述第二烧结电极是负电极，所述第一集电器是正集电器，并且所述第二集电器是负集电器。
28.如权利要求16所述的子组件，其中，所述子组件的厚度至少约为200μm。
29.如权利要求16所述的子组件，其中，所述子组件的密度至少约为理论密度的65％。
30.一种在电化学设备中使用的子组件，包括：
(a)第一电极；以及
(b)隔离体或者第一集电器或者隔离体和第一集电器，
其中，所述子组件是通过如下方式制造的：
(i)使所述第一电极与所述隔离体或者所述第一集电器组合、或者与隔离体和第一集电器两者组合；以及
(ii)在用于有效形成烧结子组件的条件下加热所述第一电极和所述隔离体或者所述第一集电器、或者加热所述第一电极、隔离体和第一集电器。
31.如权利要求30所述的子组件，其中，所述第一电极被热接合到所述隔离体或者所述第一集电器，或者被热接合到所述隔离体和第一集电器。
32.如权利要求30所述的子组件，其中，所述第一电极包括烧结电极。
33.如权利要求30所述的子组件，其中，所述隔离体包括烧结隔离体。
34.如权利要求30所述的子组件，其中，所述加热步骤包括加热所述第一电极、所述隔离体和所述第一集电器以形成烧结子组件。
35.如权利要求34所述的子组件，其中，所述第一集电器和所述隔离体中的每一个被热接合到所述第一电极的相反表面。
36.如权利要求35所述的子组件，其中，所述第一集电器主要被限制到所述第一电极的外周。
37.如权利要求36所述的子组件，其中，所述第一电极的接合到所述第一集电器的部分的外周面积小于所述第一电极的总面积的约30％。
38.如权利要求30所述的子组件，包括第一电极和隔离体，进一步包括第二电极，其中，所述第一和第二电极被接合到所述隔离体的相反表面。
39.如权利要求38所述的子组件，其中，所述第一电极、所述第二电极或者所述第一电极和第二电极包括烧结电极。
40.如权利要求35所述的子组件，进一步包括第二电极，其中所述第二电极被接合到所述隔离体。
41.如权利要求30所述的子组件，进一步包括第二电极和第二集电器，其中，所述第二电极和所述第一电极与所述隔离体、所述第一集电器和所述第二集电器一起加热以形成烧结子组件。
42.如权利要求41所述的子组件，其中，所述第一电极是正电极，所述第二电极是负电极，所述第一集电器是正集电器，并且所述第二集电器是负集电器。
43.如权利要求30所述的子组件，其中，所述隔离体包括有机化合物、无机-有机复合物或混合物、无机化合物、微粒材料或者烧结微粒陶瓷。
44.如权利要求30所述的子组件，其中，所述第一电极包括层状氧化物、金属氟化物或者锂-过渡金属磷酸盐化合物，其可选地包括掺杂剂金属。
45.如权利要求30所述的子组件，其中，所述子组件的厚度至少约为200μm。
46.如权利要求30所述的子组件，其中，所述子组件的密度至少约为理论密度的65％。
47.一种在电化学设备中使用的子组件，包括：
(a)第一烧结电极；以及
(b)烧结的隔离体或者第一集电器、或者烧结的隔离体和第一集电器，
其中，所述子组件是通过如下方式制造的：
(i)使所述第一烧结电极与所述烧结隔离体或者所述第一集电器组合、或者与所述烧结隔离体和所述第一集电器组合；以及
(ii)在用于有效形成烧结子组件的条件下加热所述第一烧结电极和所述烧结隔离体或者所述第一集电器，或者加热所述第一烧结电极和所述烧结隔离体和所述第一集电器。
48.如权利要求48所述的子组件，其中，所述第一烧结电极被热接合到所述烧结隔离体或者所述第一集电器。
49.如权利要求47所述的子组件，包括第一集电器和烧结隔离体，其中，所述加热步骤包括加热所述第一烧结电极、所述烧结隔离体和所述第一集电器以形成烧结子组件。
50.如权利要求49所述的子组件，其中，所述第一集电器和所述烧结隔离体中的每一个被热接合到所述第一烧结电极的相反表面。
51.如权利要求49所述的子组件，其中，所述第一集电器主要被限制到所述第一烧结电极的外周。
52.如权利要求51所述的子组件，其中，所述第一烧结电极的接合到所述第一集电器的部分的外周面积小于所述第一烧结电极的总面积的约30％。
53.如权利要求47所述的子组件，包括第一烧结电极和烧结隔离体，进一步包括第二烧结电极，其中，所述第一和第二烧结电极被接合到所述烧结隔离体的相反表面。
54.如权利要求50所述的子组件，进一步包括第二烧结电极，其中所述第二烧结电极被接合到所述烧结隔离体。
55.如权利要求54所述的子组件，进一步包括第二烧结电极和第二集电器，其中，所述第二烧结电极和所述第一烧结电极与所述烧结隔离体、所述第一集电器和所述第二集电器一起加热以形成烧结子组件。
56.如权利要求55所述的子组件，其中，所述第一烧结电极是正电极，所述第二烧结电极是负电极，所述第一集电器是正集电器，并且所述第二集电器是负集电器。
57.如权利要求47所述的子组件，其中，所述烧结隔离体包括有机化合物、无机-有机复合物或混合物、无机化合物、微粒材料或者烧结微粒陶瓷。
58.如权利要求47所述的子组件，其中，所述第一烧结电极包括层状氧化物、金属氟化物或者锂-过渡金属磷酸盐化合物，其可选地包括掺杂剂金属。
59.如权利要求47所述的子组件，其中，所述子组件的厚度至少约为200μm。
60.如权利要求47所述的子组件，其中，所述子组件的密度至少约为理论密度的65％。
61.一种电化学设备，包括：
(a)正电极，与正电极集电器电子接触，所述正集电器与外部电路电气连接；
(b)负电极，与负电极集电器电子接触，所述负集电器与外部电路电气连接；
(c)隔离体，安置在所述正电极和所述负电极之间；以及
(d)电解质，与所述正和负电极离子接触；
其中，所述正电极或者所述负电极和所述隔离体包括烧结的子组件。
62.如权利要求61所述的电化学设备，其中，所述设备中的非活性材料的质量分数小于约50％。
63.如权利要求61所述的电化学设备，其中，在大于约600W/kg的功率密度下，所述设备的比能量大于约300Wh/kg。
64.一种用于制备在电化学设备中使用的子组件的方法，包括：
(a)使第一电极与隔离体或者第一集电器组合、或者与隔离体和第一集电器二者组合；以及
(b)在用于有效形成烧结子组件的条件下加热所述第一电极和所述隔离体或者所述第一集电器。
65.如权利要求64所述的方法，其中，所述方法产生了所述第一电极和所述隔离体或者所述第一集电器之间的热接合，或者产生了所述第一电极和所述隔离体和第一集电器之间的热接合。
66.如权利要求64所述的方法，其中，所述第一电极包括烧结电极。
67.如权利要求64所述的方法，其中，所述隔离体包括烧结隔离体。
68.如权利要求64所述的方法，其中，所述加热步骤包括加热所述第一电极、所述隔离体和所述第一集电器以形成烧结子组件。
69.如权利要求64所述的方法，其中，第二电极与所述第一电极和所述隔离体组合，其中，所述方法产生了所述第一和第二电极和所述隔离体的相反表面之间的接合。
70.如权利要求69所述的方法，其中，所述第二电极包括烧结电极。
71.如权利要求69所述的方法，其中，第二电极与所述第一电极和所述隔离体组合，其中，所述方法产生了所述第二电极和所述隔离体之间的接合。
72.如权利要求71所述的方法，其中，所述第二电极包括烧结电极。
73.如权利要求68所述的方法，其中，所述组合步骤进一步包括使第二电极和第二集电器与所述第一电极、所述第一集电器和所述隔离体组合，以及其中，所述加热步骤包括使所述第二电极和所述第一电极与所述隔离体、所述第一集电器和所述第二集电器一起加热以形成烧结子组件。
74.如权利要求73所述的方法，其中，所述第一电极是正电极，所述第二电极是负电极，所述第一集电器是正集电器，并且所述第二集电器是负集电器。
75.如权利要求61所述的方法，其中，所述烧结隔离体包括有机化合物、无机-有机复合物或混合物、无机化合物、微粒材料或者烧结微粒陶瓷。
76.如权利要求61所述的方法，其中，所述第一烧结电极包括层状氧化物、金属氟化物或者锂-过渡金属磷酸盐化合物，其可选地包括掺杂剂金属。
77.一种双极型电池，包括多个堆叠的电化学电池，其中，所述电化学电池串联连结，以及其中，所述堆叠的电化学电池中的每一个包括：
(a)正电极，与正电极集电器电子接触，所述正集电器与外部电路电气连接；
(b)负电极，与负电极集电器电子接触，所述负集电器与外部电路电气连接；
(c)隔离体，安置在所述正电极和所述负电极之间；以及
(d)电解质，与所述正和负电极离子接触；
其中，每个堆叠的所述正电极和所述负电极包括烧结电极。
78.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述隔离体包括烧结隔离体。
79.如权利要求77所述的双极型电池，其中，(a)所述隔离体和(b)所述正电极或者所述负电极、或者所述正电极和所述负电极二者接合。
80.如权利要求77所述的双极型电池，其中，(a)所述正电极和(b)所述隔离体或者所述正集电器、或者所述隔离体和正集电器二者接合在一起。
81.如权利要求77所述的双极型电池，其中，(a)所述负电极和(b)所述隔离体或者所述负集电器、或者所述隔离体和所述负集电器二者接合在一起。
82.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述正集电器、所述正电极、所述隔离体、所述负电极和所述负集电器接合在一起。
83.如权利要求77所述的双极型电池，其中，(a)所述正电极和(b)所述隔离体或者所述正集电器、或者所述隔离体和所述正集电器二者包括烧结子组件。
84.如权利要求77所述的双极型电池，其中，(a)所述负电极和(b)所述隔离体或者所述负集电器、或者所述隔离体和所述负集电器二者包括烧结子组件。
85.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述正集电器、所述正电极、所述隔离体、所述负电极和所述负集电器包括烧结子组件。
86.如权利要求77所述的双极型电池，其中，由烧结陶瓷形成的所述正电极或者所述负电极的厚度至少约为200μm。
87.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述烧结子组件的厚度至少约为200μm。
88.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述电池进一步包括氧化还原穿梭电对。
89.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述电解质包括电活性添加剂。
90.如权利要求77所述的双极型电池，其中，所述隔离体包括电活性聚合物，其中，所述电活性聚合物形成了穿过所述隔离体的渗透通路。
91.如权利要求77所述的双极型电池，其中，由烧结陶瓷形成的所述正电极或者所述负电极的厚度相对平均厚度的变化小于25％。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103636054A (zh) * 2011-07-08 2014-03-12 株式会社村田制作所 全固体电池及其制造方法
CN103828099A (zh) * 2011-07-25 2014-05-28 A123系统公司 掺混的阴极材料
CN104541401A (zh) * 2012-08-28 2015-04-22 应用材料公司 固态电池组的制造
CN109417147A (zh) * 2016-07-01 2019-03-01 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 用于基于锂的固态电池的复合阴极层结构及其制造方法
CN110783632A (zh) * 2019-11-07 2020-02-11 蒋子杰 一种具有混合电极的锂离子电池的化成方法
CN113454806A (zh) * 2019-02-19 2021-09-28 康宁股份有限公司 用于电池的烧结电极及其制造方法
CN114079055A (zh) * 2020-08-12 2022-02-22 恒大新能源技术(深圳)有限公司 一体化正极及其制备方法和固态电池

Families Citing this family (77)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8883354B2 (en) 2006-02-15 2014-11-11 Optodot Corporation Separators for electrochemical cells
US20100291444A1 (en) * 2009-05-12 2010-11-18 Farmer Joseph C Multilayer coatings for rechargeable batteries
US8778546B2 (en) * 2009-05-12 2014-07-15 Lawrence Livermore National Security, Llc. Air breathing lithium power cells
KR20120027364A (ko) 2009-05-26 2012-03-21 옵토도트 코포레이션 나노다공성 세퍼레이터층을 이용한 리튬 배터리
PL2461395T3 (pl) * 2009-06-30 2019-05-31 Lg Chemical Ltd Sposób wytwarzania elektrody z porowatą warstwą powlekającą
JP2013527553A (ja) * 2009-10-07 2013-06-27 モレキュラー ナノシステムズ，インコーポレイテッド バッテリィ電極を製造する方法及びシステム、及びこの方法及びシステムから生じるデバイス
WO2011056796A1 (en) 2009-11-04 2011-05-12 Martin Kagan Internet infrastructure survey
DE102009056756B4 (de) * 2009-12-04 2020-10-15 Schott Ag Material für Batterie-Elektroden, dieses enthaltende Batterie-Elektroden sowie Batterien mit diesen Elektroden und Verfahren zu deren Herstellung
US9252455B1 (en) * 2010-04-14 2016-02-02 Hrl Laboratories, Llc Lithium battery structures employing composite layers, and fabrication methods to produce composite layers
US9673478B2 (en) * 2010-05-12 2017-06-06 Lawrence Livermore National Security, Llc Multi-layer coatings for bipolar rechargeable batteries with enhanced terminal voltage
DE102010029282A1 (de) * 2010-05-25 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtbatterie
FR2961639B1 (fr) * 2010-06-17 2012-12-21 Commissariat Energie Atomique Accumulateur electrochimique au lithium a architecture bipolaire comprenant un additif d'electrolyte specifique
JP5564649B2 (ja) * 2010-06-23 2014-07-30 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極及びリチウム二次電池
JP5587052B2 (ja) * 2010-06-23 2014-09-10 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極及びリチウム二次電池
ES2713517T3 (es) 2010-07-19 2019-05-22 Optodot Corp Separadores para células electroquímicas
JP2012138327A (ja) * 2010-12-28 2012-07-19 Hitachi Ltd 非水電解液及びこれを用いた非水二次電池
WO2012134594A1 (en) * 2011-03-28 2012-10-04 Blue Juice, Inc. High power, wide-temperature range electrode materials, electrodes, related devices and methods of manufacture
CN102723458B (zh) * 2011-03-29 2016-05-18 东莞新能源科技有限公司 锂离子电池及其阴极极片
JP6265580B2 (ja) * 2011-10-06 2018-01-24 株式会社村田製作所 電池およびその製造方法
JP5865672B2 (ja) * 2011-10-28 2016-02-17 京セラ株式会社 二次電池
US9196909B2 (en) * 2011-11-18 2015-11-24 Bloom Energy Corporation Fuel cell interconnect heat treatment method
EP2799166A4 (en) * 2011-12-28 2016-06-15 Taisei Kogyo Co Ltd POROUS SINTER BODY AND METHOD FOR PRODUCING A POROUS SINTER BODY
US9705124B2 (en) 2012-02-27 2017-07-11 The Johns Hopkins University High energy density Li-ion battery electrode materials and cells
US11319411B2 (en) 2012-04-11 2022-05-03 Ionic Materials, Inc. Solid ionically conducting polymer material
US11152657B2 (en) 2012-04-11 2021-10-19 Ionic Materials, Inc. Alkaline metal-air battery cathode
US10559827B2 (en) 2013-12-03 2020-02-11 Ionic Materials, Inc. Electrochemical cell having solid ionically conducting polymer material
US11251455B2 (en) 2012-04-11 2022-02-15 Ionic Materials, Inc. Solid ionically conducting polymer material
US9742008B2 (en) 2013-12-03 2017-08-22 Ionic Materials, Inc. Solid, ionically conducting polymer material, and methods and applications for same
US9819053B1 (en) 2012-04-11 2017-11-14 Ionic Materials, Inc. Solid electrolyte high energy battery
US12074274B2 (en) 2012-04-11 2024-08-27 Ionic Materials, Inc. Solid state bipolar battery
US9847520B1 (en) 2012-07-19 2017-12-19 Bloom Energy Corporation Thermal processing of interconnects
US9337470B2 (en) 2012-10-19 2016-05-10 Ut-Battelle, Llc Method and apparatus for in-situ drying investigation and optimization of slurry drying methodology
WO2014144179A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Wildcat Discovery Technologies, Inc. High energy materials for a battery and methods for making and use
US20140272528A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Apple Inc. Manufacturing techniques using binder coatings in three-dimensional stacked-cell batteries
US8916062B2 (en) * 2013-03-15 2014-12-23 Wildcat Discovery Technologies, Inc. High energy materials for a battery and methods for making and use
KR20160002988A (ko) * 2013-04-23 2016-01-08 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 고체 및 액체 전해질들을 갖는 전기화학 셀
KR102294032B1 (ko) 2013-04-29 2021-08-27 옵토도트 코포레이션 증가된 열 전도율을 갖는 나노기공성 복합체 분리기들
US10320628B2 (en) 2013-06-19 2019-06-11 Citrix Systems, Inc. Confidence scoring of device reputation based on characteristic network behavior
EP3053211A4 (en) 2013-10-01 2017-07-05 Bloom Energy Corporation Pre-formed powder delivery to powder press machine
US10079393B1 (en) 2014-01-09 2018-09-18 Bloom Energy Corporation Method of fabricating an interconnect for a fuel cell stack
US20150237722A1 (en) * 2014-02-20 2015-08-20 Ruey-Jen Hwu Anode Array
WO2015130644A1 (en) 2014-02-25 2015-09-03 Bloom Energy Corporation Composition and processing of metallic interconnects for sofc stacks
CN106489217B (zh) 2014-04-01 2021-07-30 离子材料公司 高容量聚合物阴极和包括该阴极的高能量密度可充电电池
CN106458587A (zh) 2014-05-07 2017-02-22 庄信万丰股份有限公司 制备碳涂覆的锂过渡金属磷酸盐的方法及其用途
DE102014109045B4 (de) * 2014-06-27 2019-04-25 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Energiespeicheranordnung, Verfahren zur kontrollierten Entladung eines Energiespeichers mittels Redox-Shuttle-Additiven und Verwendung eines Redox-Shuttle-Additivs
US11114655B2 (en) 2015-04-01 2021-09-07 Ionic Materials, Inc. Alkaline battery cathode with solid polymer electrolyte
WO2016168715A1 (en) * 2015-04-15 2016-10-20 Optodot Corporation Coated stacks for batteries and related manufacturing methods
US10381623B2 (en) 2015-07-09 2019-08-13 Optodot Corporation Nanoporous separators for batteries and related manufacturing methods
US12040506B2 (en) 2015-04-15 2024-07-16 Lg Energy Solution, Ltd. Nanoporous separators for batteries and related manufacturing methods
EP3304620A4 (en) * 2015-06-04 2018-11-07 Ionic Materials, Inc. Solid state bipolar battery
CN108352565A (zh) 2015-06-04 2018-07-31 离子材料公司 具有固体聚合物电解质的锂金属电池
EP3304634B1 (en) 2015-06-08 2022-08-03 Ionic Materials, Inc. Battery having aluminum anode and solid polymer electrolyte
US11342559B2 (en) 2015-06-08 2022-05-24 Ionic Materials, Inc. Battery with polyvalent metal anode
US9722254B2 (en) * 2015-07-27 2017-08-01 X Development Llc Graphene application in battery
US10903483B2 (en) * 2015-08-27 2021-01-26 Wildcat Discovery Technologies, Inc High energy materials for a battery and methods for making and use
US10707522B2 (en) * 2015-09-24 2020-07-07 Ford Global Technologies, Llc Methods of manufacturing a solid state battery
TWI581483B (zh) * 2015-10-29 2017-05-01 電能有限公司 複合式鋰二次電池（二）
KR102650963B1 (ko) * 2016-02-25 2024-03-25 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체, 이를 포함하는 리튬 전지, 및 상기 전극 조립체의 제작방법
RU168023U1 (ru) * 2016-03-23 2017-01-17 Аркадий Владимирович Иванчик Планарная батарея источников тока
US10818909B2 (en) 2016-05-09 2020-10-27 Demaray, Llc Energy storage device with a first metal layer formed from a precursor layer upon charge and diffused into a cathode during discharge
WO2017201376A1 (en) * 2016-05-20 2017-11-23 Sion Power Corporation Protective layers for electrodes and electrochemical cells
US10403903B2 (en) 2016-06-10 2019-09-03 Greatbatch Ltd. Low-rate battery design
US11289700B2 (en) 2016-06-28 2022-03-29 The Research Foundation For The State University Of New York KVOPO4 cathode for sodium ion batteries
US10944128B2 (en) 2017-03-30 2021-03-09 International Business Machines Corporation Anode structure for solid-state lithium-based thin-film battery
US10581109B2 (en) 2017-03-30 2020-03-03 International Business Machines Corporation Fabrication method of all solid-state thin-film battery
US10903672B2 (en) 2017-03-30 2021-01-26 International Business Machines Corporation Charge method for solid-state lithium-based thin-film battery
US10622680B2 (en) 2017-04-06 2020-04-14 International Business Machines Corporation High charge rate, large capacity, solid-state battery
US12057548B2 (en) * 2017-08-28 2024-08-06 Honeycomb Battery Company Continuous process for producing electrochemical cells
CN108281614B (zh) * 2017-12-29 2020-04-07 广州倬粤动力新能源有限公司 极板快速层叠方法
DE102018200973A1 (de) * 2018-01-23 2019-07-25 Robert Bosch Gmbh Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle
US11251430B2 (en) 2018-03-05 2022-02-15 The Research Foundation For The State University Of New York ϵ-VOPO4 cathode for lithium ion batteries
WO2019221142A1 (ja) * 2018-05-17 2019-11-21 日本碍子株式会社 リチウム二次電池
CN112889163B (zh) * 2018-10-30 2024-09-20 日本碍子株式会社 纽扣型锂二次电池
US11271201B2 (en) 2019-07-15 2022-03-08 Corning Incorporated Energy device with lithium
US20220037642A1 (en) * 2020-07-30 2022-02-03 GM Global Technology Operations LLC Formulation and fabrication of thick cathodes
CN114976093A (zh) * 2021-02-25 2022-08-30 上海轩玳科技有限公司 一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构
JP2024109373A (ja) * 2023-02-01 2024-08-14 株式会社豊田自動織機 蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003346895A (ja) * 2002-05-30 2003-12-05 Fujitsu Ltd 固体電解質の形成方法およびリチウム電池
CN1755975A (zh) * 2004-10-01 2006-04-05 株式会社东芝 二次电池及其制造方法

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1063233B (de) * 1957-11-27 1959-08-13 Willi Krebs Elektrode fuer alkalische Sammler, deren Traeger der aktiven Masse aus miteinander versinterten Metallfaeden od. dgl. besteht, sowie Verfahren und Vorrichtung zu deren Herstellung
JPS58192271A (ja) * 1982-05-06 1983-11-09 Furukawa Electric Co Ltd:The 亜鉛−塩素電池
JPS63302859A (ja) 1987-12-28 1988-12-09 Terumo Corp 貯血槽
JPH042065A (ja) * 1990-04-18 1992-01-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液二次電池とその製造法
US5200281A (en) * 1991-11-18 1993-04-06 Westinghouse Electric Corp. Sintered bipolar battery plates
JP3427577B2 (ja) * 1994-12-13 2003-07-22 ソニー株式会社 非水電解液二次電池
JP3493873B2 (ja) * 1995-04-28 2004-02-03 ソニー株式会社 非水電解液二次電池
EP0896374B1 (en) * 1996-12-24 2011-12-07 Kao Corporation Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2000277147A (ja) * 1999-03-25 2000-10-06 Sony Corp 非水電解質二次電池
JP3068092B1 (ja) * 1999-06-11 2000-07-24 花王株式会社 非水系二次電池用正極の製造方法
JP2001093535A (ja) 1999-09-28 2001-04-06 Kyocera Corp 固体電解質電池
US6893777B2 (en) * 2001-02-15 2005-05-17 Wilson Greatbatch Ltd. Current collector having non-symmetric grid pattern converging at a common focal point
JP2002324538A (ja) * 2001-04-25 2002-11-08 Nitto Denko Corp 電池用セパレータおよびその製造方法
EP2278643B1 (en) 2001-12-21 2018-03-28 Massachusetts Institute of Technology (MIT) Conductive lithium storage electrode
JP4203262B2 (ja) * 2002-05-22 2008-12-24 三菱製紙株式会社 アルカリ電池用セパレータ用不織布
JP2005032938A (ja) * 2003-07-11 2005-02-03 Sanyo Electric Co Ltd 電気二重層コンデンサ及び電池
US20060251965A1 (en) 2003-07-31 2006-11-09 Mori Nagayama Secondary cell electrode and fabrication method, and secondary cell, complex cell, and vehicle
US8617745B2 (en) * 2004-02-06 2013-12-31 A123 Systems Llc Lithium secondary cell with high charge and discharge rate capability and low impedance growth
JP5165843B2 (ja) * 2004-12-13 2013-03-21 パナソニック株式会社 活物質層と固体電解質層とを含む積層体およびこれを用いた全固体リチウム二次電池
WO2006064774A1 (ja) * 2004-12-13 2006-06-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 活物質層と固体電解質層とを含む積層体およびこれを用いた全固体リチウム二次電池
US7939201B2 (en) * 2005-08-08 2011-05-10 A123 Systems, Inc. Nanoscale ion storage materials including co-existing phases or solid solutions
US8182943B2 (en) * 2005-12-19 2012-05-22 Polyplus Battery Company Composite solid electrolyte for protection of active metal anodes
JP2007200686A (ja) * 2006-01-26 2007-08-09 Sanyo Electric Co Ltd リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池
JP5135822B2 (ja) 2006-02-21 2013-02-06 日産自動車株式会社 リチウムイオン二次電池およびこれを用いた組電池
JP5023541B2 (ja) 2006-04-14 2012-09-12 日産自動車株式会社 二次電池の製造方法
CN102163749B (zh) 2006-05-23 2014-03-12 Iom技术公司 全固体二次电池
US20090035664A1 (en) 2007-05-25 2009-02-05 Massachusetts Institute Of Technology Batteries and electrodes for use thereof
US9923180B2 (en) 2007-05-31 2018-03-20 A123 Systems Llc Separator including electroactive material for overcharge protection
JP5426551B2 (ja) * 2007-08-21 2014-02-26 エー１２３ システムズ， インコーポレイテッド 電気化学セル用セパレータおよびその製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003346895A (ja) * 2002-05-30 2003-12-05 Fujitsu Ltd 固体電解質の形成方法およびリチウム電池
CN1755975A (zh) * 2004-10-01 2006-04-05 株式会社东芝 二次电池及其制造方法

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103636054B (zh) * 2011-07-08 2016-03-02 株式会社村田制作所 全固体电池及其制造方法
CN103636054A (zh) * 2011-07-08 2014-03-12 株式会社村田制作所 全固体电池及其制造方法
US9368828B2 (en) 2011-07-08 2016-06-14 Murata Manufacturing Co., Ltd. All-solid battery and manufacturing method therefor
CN103828099B (zh) * 2011-07-25 2018-04-20 A123系统有限责任公司 掺混的阴极材料
CN103828099A (zh) * 2011-07-25 2014-05-28 A123系统公司 掺混的阴极材料
CN104541401A (zh) * 2012-08-28 2015-04-22 应用材料公司 固态电池组的制造
US9912014B2 (en) 2012-08-28 2018-03-06 Applied Materials, Inc. Solid state battery fabrication
CN104541401B (zh) * 2012-08-28 2018-12-07 应用材料公司 固态电池组的制造
US11276886B2 (en) 2012-08-28 2022-03-15 Applied Materials, Inc. Solid state battery fabrication
CN109417147A (zh) * 2016-07-01 2019-03-01 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 用于基于锂的固态电池的复合阴极层结构及其制造方法
CN113454806A (zh) * 2019-02-19 2021-09-28 康宁股份有限公司 用于电池的烧结电极及其制造方法
CN110783632A (zh) * 2019-11-07 2020-02-11 蒋子杰 一种具有混合电极的锂离子电池的化成方法
CN110783632B (zh) * 2019-11-07 2020-12-22 泰州纳新新能源科技有限公司 一种具有混合电极的锂离子电池的化成方法
CN114079055A (zh) * 2020-08-12 2022-02-22 恒大新能源技术(深圳)有限公司 一体化正极及其制备方法和固态电池

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