CN105900280B - 具有完整等级升压器的固态电池 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例，一种固态电池系统包括：第一阳极；第一阴极；第一固态电解质层，定位在第一阳极和第一阴极之间；外壳，包围第一阳极、第一阴极和第一固态电解质层；以及至少一个热控制线，定位在外壳内并且配置为修改外壳内的温度。

Description

具有完整等级升压器的固态电池
交叉引用
本申请要求于2013年8月28日提交的美国临时申请No. 61/870,817的权益，该临时申请的整体内容通过引用并入于此。
技术领域
本公开涉及电池，并且更具体地涉及固态电池。
背景技术
电池是能够被合并到许多系统中的有用的储能源。可再充电锂离子（“Li离子”）电池是针对便携式电子设备以及电动和混合电动车辆的有吸引力的能量存储系统，这是因为它们与其他电化学能量存储设备相比的高比能。特别地，与具有常规碳质负电极的电池相比，具有合并到负电极中的锂金属的形式的电池提供极高的比能（以Wh/kg测量）和能量密度（以Wh/L测量)。
当高比容负电极诸如锂用在电池中时，常规系统上的容量增加的最大益处当也使用高容量正电极活性材料时被实现。常规锂嵌入氧化物（例如，LiCo02、LiNi0.8Co0.15Al0.0502和Li1.1Ni0.3Co0.3Mn0.302）通常限于约280 mAh/g的理论容量（基于锂化氧化物的质量）和180至250 mAh/g的实际容量。与此相比，锂金属的比容是约3863 mAh/g。可实现用于锂离子正电极的最高理论容量是1168 mAh/g（基于锂化材料的质量），其由Li2S和Li202共享。包括BiF3（303 mAh/g，锂化）和FeF3（712 mAh/g，锂化）的其他高容量材料在Amatucci,G.G.和N.Pereira的Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices. Journal of Fluorine Chemistry,2007.128(4): p.243-262中有标识。然而，所有前述材料在与常规氧化物正电极相比更低的电压下与锂反应，由此限制理论比能。然而，前述材料的理论比能非常高(>800 Wh/kg，与针对具有锂负电极和常规氧化物正电极的电池单元的约500 Wh/kg的最大值相比)。
因此，与具有石墨或其他嵌入负电极的电池单元相比，使用Li金属负电极（有时称为阳极）的优点是整个电池单元的高得多的能量密度。使用纯Li金属的缺点是锂是高反应性的。因此，锂金属具有经受形态变化的倾向，形态变化在电池单元正被充电时使具有高表面面积的结构形成在负电极上和在负电极周围。示范性高表面面积结构包括枝晶和青苔状结构。
枝晶是针对具有Li金属阳极的电池单元的最常见失效模式。枝晶形成有针状结构，并且能够在电池的充电期间生长通过分隔物，从而导致内部短路。迅速烧掉的“软短路”导致电池单元的临时性自放电，而由更高、更稳定的接触区域构成的“强短路”可能导致电池单元的完全放电、电池单元失效以及甚至热逸散。虽然枝晶通常在充电期间生长通过分隔物，但是短路也可能取决于置于电池单元上的外部压力和/或发生在负电极和正电极两者中的内部体积改变而在放电期间发展。
因为Li金属是高电子传导的，所以Li的表面倾向于随着金属被镀覆和剥离而粗糙化。表面中的峰在充电期间随着枝晶生长。在放电期间，枝晶的某种平滑化发生。然而，通常存在某种粗糙度，其在放电结束时保持。取决于放电的深度，总体粗糙度可能从一个循环到下一个循环被放大。因为金属本质上始终处于相同电化学电势，所以电势和在较少程度上的电解质相中的浓度梯度驱动形态上的改变。
与枝晶起始和生长有关的是Li形态的发展，其倾向于随着循环而增加电极表面面积并且消耗溶剂以生成新的钝化层。高表面面积青苔状Li的形成倾向于发生在来自液体电解质的低速率沉积期间，特别是如果盐浓度高的话。结合Li的高反应性和有机溶剂的可燃性的高表面面积促成非常有反应性且危险的电池单元。
实现合并了Li金属阳极的商业上可行的电池中的另一重大挑战是高Li金属界面阻抗，和通常存在于包含Li金属的固态电池单元中的材料中的Li的慢的输运以及电池单元的阴极侧上的相之间的Li传递的动力学。例如，典型固态电解质材料在室温下具有高达
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的最大离子传导率。这不足以用于功率需量的应用，诸如要求大于10-2 S/cm的离子传导率的那些应用。
此外，在汽车应用中的电池或电池系统的某些操作模式可能要求甚至更高传导率，以实现高功率输出/输入来吸收制动能量用于加速或快速充电。这样情况可能在操作期间重复发生有限次，并且可能必需迅速增加电解质的传导率。
虽然已知增加的温度来增加电解质的传导率，但是完整电池包的高热容量使在需要时对整个系统迅速加热是不切实际的。此外，永久维持电池在高的温度(>80℃)下所需的能量致使系统效率太低。这样的升高温度还可能影响和/或限制可能对升高温度敏感的某些电池单元、堆叠和包部件的使用。
因此，所需要的是，解决一个或多个上述标识的问题的固态电化学电池单元。
发明内容
根据一个实施例，一种固态电池系统包括：第一阳极；第一阴极；第一固态电解质层，定位在第一阳极和第一阴极之间；外壳，包围第一阳极、第一阴极和第一固态电解质层；以及至少一个热控制线，定位在外壳内并且配置为修改外壳内的温度。
在一个或多个实施例中，至少一个热控制线位于第一固态电解质层内。
在一个或多个实施例中，至少一个热控制线包括阻抗线。
在一个或多个实施例中，至少一个热控制线包括热电材料。
在一个或多个实施例中，至少一个热控制线与第一阳极和第一阴极电通信。
在一个或多个实施例中，电池系统包括：可变阻抗负载，其中至少一个热控制线通过可变阻抗负载与第一阳极电通信；以及电池管理系统，配置为控制可变阻抗负载，以修改第一固态电解质层中的温度。
在一个或多个实施例中，电池管理系统进一步配置为：标识电池单元的故障；以及响应于所标识的故障使用至少一个热控制线冷却第一固态电解质层。
在一个或多个实施例中，电池系统包括可操作地连接到第一阴极的第一集流器，其中至少一个热控制线进一步定位在第一集流器和第一阴极的界面处。
在一个或多个实施例中，电池系统包括可操作地连接到第一阳极的第二集流器，其中至少一个热控制线进一步定位在第二集流器和第一阳极的界面处。
在一个或多个实施例中，至少一个热控制线配置为冷却第一集流器并且加热第一固态电解质层。
在一个或多个实施例中，电池系统包括：第二阳极，在外壳内并且通过基本层与第一阴极间隔开；第二阴极；以及第二固态电解质层，定位在第二阳极与第二阴极之间，其中至少一个热控制线位于第二固态电解质层内。
在一个或多个实施例中，一种形成固态电池系统的方法包括：提供外壳内的第一阳极；提供外壳内的第一阴极；定位外壳内的第一固态电解质层在第一阳极和第一阴极之间；
定位至少一个热控制线在外壳内；以及配置至少一个热控制线以修改外壳内的温度。
在一个或多个实施例中，定位至少一个热控制线在外壳内包括：定位至少一个热控制线在第一固态电解质层内。
在一个或多个实施例中，定位至少一个热控制线在外壳内包括：在第一固态电解质层中的沟道中烧结热电陶瓷。
在一个或多个实施例中，定位至少一个热控制线在外壳内包括：将至少一个热控制线置于与第一阳极和第一阴极电通信。
在一个或多个实施例中，将至少一个热控制线置于与第一阳极电通信包括：将至少一个热控制线置于通过可变阻抗负载与第一阳极电通信，并且所述方法进一步包括将电池管理系统配置为控制可变阻抗负载，以修改第一固态电解质层中的温度。
在一个或多个实施例中，配置电池管理系统包括：将电池管理系统配置为标识电池单元的故障；以及将电池管理系统配置为响应于所标识的故障使用至少一个热控制线来控制对第一固态电解质层的冷却。
在一个或多个实施例中，定位至少一个热控制线包括：将至少一个热控制线定位在第一集流器和第一阴极的界面处。
在一个或多个实施例中，定位至少一个热控制线包括：将至少一个热控制线定位在第二集流器和第一阳极的界面处。
在一个或多个实施例中，配置至少一个热控制线以修改外壳内的温度包括：配置至少一个热控制线以冷却第二集流器；以及配置至少一个热控制线以加热第一固态电解质层。
附图说明
图1描绘了电化学电池单元的简化横截面视图；
图2描绘了示出具有热控制线的分隔物的图1的电池单元的部分侧透视图；
图3描绘了示出正弦定位热控制线的图2的阴极的俯瞰图；
图4描绘了包括在沟道中延伸通过分隔物的以热电材料形式的热控制线的分隔物的顶部透视图；
图5描绘了包括定位在分隔物与电池单元中的另一部件之间的以热电材料形式的热控制线的电池单元的顶部透视图；
图6描绘了包括其中电池单元用于提供电流来控制电解质的温度的电池控制系统的系统的示意图；以及
图7描绘了包括其中外部源用于提供电流来控制电解质的温度的电池控制系统的系统的示意图。
具体实施方式
出于促进理解本公开原理的目的，现在将参照附图中示出并且在以下书面描述中描述的实施例。应理解，并不由此意图限制本公开的范围。还应理解，本公开包括对于所示实施例的任何改变和修改并且包括如对于本公开所属领域的普通技术人员将正常想到的本公开原理的进一步应用。
图1描绘了电化学电池100。电化学电池100包括在封装104或既电绝缘又（可选地）导热的其他周围环境内的多个电池单元或电池单元堆叠102x。封装104提高电化学电池100的安全性。
通过以图1的双极设计堆叠电池单元102x，电池100的操作电压可以被修改为所期望电压。作为举例，如果每个电池单元102x具有大约4V的操作电压，则100个电池单元102x可以被堆叠来产生具有大约400V的操作电压的设备。以该方式，给定的功率可以被实现同时传递低的电流通过每个电池单元102x。因此，电池单元102x的接线可以用小直径的电导体在维持高的能量效率的同时被实现。电池100因此提供了大于5 V的操作电压，并且在一些实施例中提供大于50 V的操作电压。
每个电池单元102x包括阳极106x、分隔物108x和阴极110x。通常是金属诸如铜并且可以充当集流器以及集成电路或多路复用器114的馈入装置的基本层112x，被定位成邻近阳极106x以及在阳极106x与邻近阴极之间。例如，基本层1121位于阳极1061和阴极1102之间。
虽然多路复用器114被描绘在封装104内，但是在一些实施例中在封装104外部提供多路复用器114。多路复用器114可以是具有电子引脚116X之间的绝缘材料的固态设备，电子引脚116X将多路复用器114连接到基本层112X。接触电池单元堆叠的每个端子的多路复用器114的引脚116X可以延伸到电池单元的顶部，而至用于监测和控制通过每个引脚的电流的电气电路。绝缘体118X位于引脚116X与阳极106X、分隔物108X和阴极110X的端部之间。
阳极106X包括Li金属或某一其他Li插入材料，其可以可逆地插入和电化学地提取Li离子。阳极106X被调整大小，使得它们具有至少与关联的阴极110X一样多的容量，并且优选地至少10%的过量容量并且在一些实施例中高达大于50%的容量。
阴极110x在各种实施例中包括硫或含硫材料（例如，PAN-S复合物或Li2S）；空气电极或含Li2O2的电极；Li插入材料，诸如NCM、LiNi0.5Mn1.5O4、富Li层状氧化物、LiCo02、LiFeP04、LiMn204；富Li NCM、NCA、和其他Li嵌入材料，或其混合物或与Li阳离子和/或电解质阴离子反应和/或插入Li阳离子和/或电解质阴离子的任何其他活性材料或材料的混合物。阴极110x可以是全致密的。阴极110x可以包括Li传导聚合物、陶瓷或其他固体、非聚合物电解质。阴极Li插入材料可以另外涂覆（例如，经由喷涂涂覆）有诸如LiNb03的材料，以便提高Li插入材料与固体电解质之间的离子的流动，如在T.Ohtomo等人的Journal of PowerSources 233 (2013) 231-235中所描述的。在阴极110x中的固体电解质材料可以进一步包括锂传导石榴石、锂传导硫化物(例如，Li2S-P2S5)或磷酸盐、Li3P、LIPON、Li传导聚合物(例如，PEO)、Li传导金属有机框架（诸如由Wiers等人的“A Solid Lithium Electrolyte viaAddition of Lithium Isopropoxide to a Metal-Organic Framework with Open MetalSites,”Journal of American Chemical Society,2011,133(37),第14522-14525页所描述的，其整体内容通过引用并入于此）、含硫的LISiCON、Li传导的NaSICON、Li10GeP2S12、锂多硫化合物磷酸盐或其他固体的Li传导材料。可以使用的其他固体电解质材料在Christensen等人的“A critical Review of Li/Air Batteries”, Journal of theElectrochemical Society 159(2) 2012中有描述，其整体内容通过引用并入于此。在阴极110x中的其他材料可以包括Li7-xLa3TaxZr2-xO12，其中0≤X≤2，电子传导添加剂（诸如炭黑）以及粘结剂材料。阴极材料被选择以允许足够的电解质阴极界面面积用于所期望的设计。
分隔物108X是电子绝缘的Li传导固态电解质。分隔物108X由一个或多个成分构成，该一个或多个成分可以包括LiPON、Li传导石榴石(例如，具有组成Li7-xLa3TaxZr2-xO12的材料，X=0到2)，Li传导硫化物(例如，Li2S-P2S5)、Li传导聚合物(例如，PEO)、Li传导金属有机框架、Li3N、Li3P、含硫的LISiCON、Li传导NaSICON、Li10GeP2S12、锂多硫化合物磷酸盐或其他固体的Li传导材料。分隔物108X包括热控制线120X。热控制电线120X基本上是相同的，并且进一步参考在图2-3中示出的热控制线1201进行讨论。
热控制线1201是正弦线，其被嵌入在材料1221内用于形成分隔物1081。热控制线1201在一些实施例中是层压或烧结在电解质块状材料1221中的阻抗线。Li离子流过块状材料1221，并且在图2的定向中的垂直方向上通过热控制线1201。由于热控制线1201的低厚度（大约微米），电解质的可用离子传导面积/体积足以用于畅通的输运。
在一些实施例中，热控制线是允许冷却选项的热电材料。例如，图4描绘了具有电解质材料134中的沟道内的以热电材料形式的热控制线132的分隔物130。热电陶瓷可以被烧结和被包括在通过电解质134的沟道中。图5描绘了可替换实施例，该实施例包括在层140和另一层144之间的界面处的热电热控制线142。在不同的实施例中，除了定位热控制线在分隔物中以外或作为定位热控制线在分隔物中的替代，热控制线定位在下述中的一个或多个之间：阳极和阳极集流器、以及阴极和阴极集流器、阴极和分隔物、以及阳极和分隔物。热电材料在不同的实施例中包括Bi2Te3、Bi2Se3、PbTe、PbTe1-xSex、Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Ge等等。
热控制线132/142允许由于热电效应引起的特定电池单元体积的局部加热或冷却，热电效应取决于通过材料的电子电流方向在定义方向上生成热流。对于其中热电材料位于在电极和集流器之间的界面处的实施例而言，热电材料可以用于加热电池单元的内部离子输运部分（电极和电解质），而集流器可以在同一时间被冷却。这意味着离子输运被明显改进，因为离子传导率随更高的温度增加。在同一时间将集流器冷却，因为热电输运热到电池单元的内部。这意味着金属集流器的电子传导率也被改进，因为在金属中的电子传导率的温度依赖性与离子导体的行为正好相反。因此，集流器可以以较小厚度被设计，但仍然可以携带足够电流用于高速率能力。
通过倒转通过热电线的电流方向，可以倒转热流并且在集流器充当热沉时冷却电池单元的内部层。因此，固体薄膜电解质（厚度约为几十微米）被迅速冷却，并且固体薄膜电解质的离子传导率被大大降低。在一些实施例中，该特征/操作模式用于在感测到的故障的情况下关闭电池单元。
图6描绘了激励热控制的一个实施例（诸如阻抗线或热电材料）。在图6中，电池单元150包括阳极152、阴极154和分隔物156。集流器158被提供用于阳极152，而集流器160被提供用于阴极154。热控制线162被提供在分隔物156内，热控制线162在该实施例中是阻抗线，但在其他实施例中是热电材料。热控制线162的一端连接到阴极集流器160，而热控制线162的另一端通过可变阻抗负载164连接到阳极集流器158。可变阻抗负载164受电池管理系统(BMS)166控制。BMS包括在其中存储有程序指令的存储器和处理器，该处理器可操作地连接到存储器并且配置为执行程序指令来控制阻抗负载164以实现电池100的一个或多个部件中的所期望温度。
在其他实施例中，热控制线162不受BMS控制。在这样的实施例中，热控制线162的一个引脚连接到阴极或阳极，而另一引脚通过外部电路分别连接回到阳极或阴极。这意味着通过热控制线162的电流与通过电池的电流成比例，并且系统被紧密耦合。
在进一步实施例中，外部源用于使用热控制线提供加热/冷却。例如，图7描绘了电池单元170，电池单元170包括阳极172、阴极174和分隔物176。集流器178被提供用于阳极172，而集流器180被提供用于阴极174。热控制线182被提供在分隔物176内，热控制线182在该实施例中是阻抗线，但在其他实施例中是热电材料。阳极集流器178和阴极集流器180连接到外部负载184，而热控制线可操作地连接到BMS 186。BMS驱动或控制通过该线或热电材料的电流的量值和方向，并且取决于电池的所期望操作模式进行控制。
虽然以上已描述了多个不同实施例，但是各种实施例的特征和元件在一些应用中与其他实施例的特征和元件一起使用。
以上所述实施例提供热控制线，该热控制线允许固体电解质的温度的局部修改，并且因此在需要电池系统的更多功率需量的操作模式时增加其传导率。热控制线可以由电池管理系统(BMS)控制和直接由电池系统或由单独的外部能量源供电。在一些实施例中，可以重新分配固态电池单元、堆叠或包内的热的热电导体被提供以便增加离子导体的局部温度（增加离子传导率），并且同时冷却金属集流器和其他电子导体（冷却降低电子阻抗）。
以上所述实施例可以使用诸如被开发用于氧传感器中的加热器元件的技术之类的现有技术(即，金属的过去印刷的使用、传导材料的烧结)被容易地制作。这些实施例可以使用作为阻抗加热器的简单金属材料（比如铝、铂、镍和比如AlNiCo和康铜的合金等）来做出。
有利地，以上所述实施例表现出比加热具有大热容量的完整堆叠或包低得多的能量消耗。所述实施例提供系统的迅速响应，因为只有薄电解质层（低的热容量）必须被加热。
此外，所述实施例对阴极和阳极的化学性质具有低的影响，因为它们不受总体增加的系统温度影响。BMS可以用于提供实施例的简单控制。当被体现为阻抗线时，阻抗加热器(阻抗=R)可以直接连接到电池和外部负载之间的电路，从而导致与电流I的平方成比例的加热功率P(P=R*I2)。这对于要求在不使用电池管理系统(BMS)的情况下通过电池将加热特征直接联系到电流的应用可以是有用的。
所述实施例可以通过集成热电材料而不是纯阻抗加热器提供冷却特征（例如，用于通过冻结离子紧急关闭电池）。通过热电加热器的电流的方向确定电池单元内的某一区域是被加热还是被冷却。
虽然已经在附图和前述描述中图示和详细描述本公开，但是其在特性上应该被视为说明性的而非限制性的。要理解的是，仅给出了优选的实施例，并且期望保护落在本公开的精神内的所有变化、修改和进一步应用。

Claims (19)

1.一种固态电池系统，包括：
第一阳极；
第一阴极；
第一固态电解质层，定位在第一阳极和第一阴极之间；
第一集流器，与第一阳极和第一阴极中的一个相关联；
外壳，包围第一阳极、第一阴极和第一固态电解质层；以及
至少一个热控制线，定位在外壳内并且配置为修改外壳内的温度，其中至少一个热控制线操作地连接到第一固态电解质层和第一集流器以便将热从第一固态电解质层和第一集流器中的一个转移到第一固态电解质层和第一集流器中的另一个，以选择性地提供由于热电效应引起的第一固态电解质层的局部加热或冷却。
2.权利要求1的电池系统，其中至少一个热控制线包括阻抗线。
3.权利要求1的电池系统，其中至少一个热控制线包括热电材料。
4.权利要求3的电池系统，其中至少一个热控制线与第一阳极和第一阴极电通信。
5.权利要求4的电池系统，进一步包括：
可变阻抗负载，其中至少一个热控制线通过可变阻抗负载与第一阳极电通信。
6.权利要求5的电池系统，进一步包括电池管理系统，其中电池管理系统配置为：
标识电池单元的故障，所述电池单元包括第一阳极、第一阴极、第一固态电解质层以及第一集流器；以及
响应于所标识的故障使用至少一个热控制线冷却第一固态电解质层。
7.权利要求3的电池系统，其中：
第一集流器操作地连接到第一阴极，其中至少一个热控制线进一步定位在第一集流器和第一阴极的界面处。
8.权利要求7的电池系统，进一步包括：
操作地连接到第一阳极的第二集流器，其中至少一个热控制线进一步定位在第二集流器和第一阳极的界面处。
9.权利要求7的电池系统，其中至少一个热控制线配置为冷却第一集流器而同时加热第一固态电解质层。
10.权利要求3的电池系统，进一步包括：
第二阳极，在外壳内并且通过基本层与第一阴极间隔开；
第二阴极；以及
第二固态电解质层，定位在第二阳极与第二阴极之间，其中至少一个热控制线位于第二固态电解质层内。
11.一种形成固态电池系统的方法，包括：
提供外壳内的第一阳极；
提供外壳内的第一阴极；
提供与第一阳极和第一阴极中的一个相关联的第一集流器；
定位外壳内的第一固态电解质层在第一阳极和第一阴极之间；
定位至少一个热控制线在外壳内；以及
配置至少一个热控制线以修改外壳内的温度，其中至少一个热控制线操作地连接到第一固态电解质层和第一集流器以便将热从第一固态电解质层和第一集流器中的一个转移到第一固态电解质层和第一集流器中的另一个，以选择性地提供由于热电效应引起的第一固态电解质层的局部加热或冷却。
12.权利要求11的方法，其中定位至少一个热控制线在外壳内包括：
定位至少一个热控制线在第一固态电解质层内。
13.权利要求12的方法，其中定位至少一个热控制线在外壳内包括：
在第一固态电解质层中的沟道中烧结热电陶瓷。
14.权利要求13的方法，其中定位至少一个热控制线在外壳内包括：
将至少一个热控制线置于与第一阳极和第一阴极电通信。
15.权利要求14的方法，其中将至少一个热控制线置于与第一阳极电通信包括：
将至少一个热控制线置于通过可变阻抗负载与第一阳极电通信，并且所述方法进一步包括
将电池管理系统配置为控制可变阻抗负载，以修改第一固态电解质层中的温度。
16.权利要求15的方法，其中配置电池管理系统包括：
将电池管理系统配置为标识电池单元的故障，所述电池单元包括第一阳极、第一阴极、第一固态电解质层以及第一集流器；以及
将电池管理系统配置为响应于所标识的故障使用至少一个热控制线来控制对第一固态电解质层的冷却。
17.权利要求13的方法，其中定位至少一个热控制线包括：
将至少一个热控制线定位在第一集流器和第一阴极的界面处，其中第一集流器操作地连接到第一阴极。
18.权利要求17的方法，其中定位至少一个热控制线包括：
将至少一个热控制线定位在第二集流器和第一阳极的界面处，其中第二集流器操作地连接到第一阳极。
19.权利要求18的方法，其中配置至少一个热控制线以修改外壳内的温度包括：
配置至少一个热控制线以冷却第二集流器；以及
配置至少一个热控制线以加热第一固态电解质层而至少一个热控制线正冷却第二集流器。
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