CN106910935B - 制造固态电池的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制造固态电池的方法,所述方法可以包括对夹在固体陶瓷电解质与聚集的一种金属之间的助焊剂进行加热。可以对助焊剂进行加热使得助焊剂使固体陶瓷电解质的表面粗糙并且聚集的一种金属熔化并粘附到固体陶瓷电解质的该表面。

Description

制造固态电池的方法
技术领域
本公开涉及用于固态电池的制造技术。
背景技术
固态电池针对传统的锂离子电池呈现出有前途的替代物。典型的固态电池制造方法可以通过诸如物理气相沉积或电子束沉积的复杂并昂贵的工艺来将金属电极施用到无机电解质。其他替代的方法可以通过在压力下将金属施用到无机电解质来将金属机械地粘附到无机电解质。这样的制造方法适用于厚且相对粗糙的无机电解质,但不适用于薄且光滑的无机电解质。在一些情况下,金属会与无机电解质剥离或者会表现出高的界面电阻。
发明内容
一种制造固态电池的方法包括:将具有活化温度的助焊剂施用到固体陶瓷电解质的表面;将助焊剂加热到活化温度以上的温度,以准备所述表面;将金属负极放置在准备的表面上;对金属负极进行加热使得金属负极粘附到准备的表面。
助焊剂可以是酸性的。
助焊剂可以是无水的。
助焊剂可以是松香基的。
金属负极可以包括锂。
固体陶瓷电解质可以包括氧化锂镧锆。
可以在惰性气体环境内执行对助焊剂进行加热的步骤。
准备所述表面的步骤可以包括蚀刻所述表面或使所述表面粗糙。
活化温度可以具有180℃与200℃范围内的值。
一种制造固态电池的方法包括:将助焊剂施用到固体陶瓷电解质的表面或金属电极的表面;将固体陶瓷电解质和金属电极布置为彼此贴近,使得助焊剂设置在固体陶瓷电解质与金属电极之间;施加热量使得助焊剂准备固体陶瓷电解质的所述表面,金属电极粘附到固体陶瓷电解质的所述表面。
助焊剂的活化温度可以小于金属电极的熔点。
可以在惰性气体环境内执行施加热量的步骤。
助焊剂可以是酸性的。
助焊剂可以是无水的。
助焊剂可以是松香基的。
一种制造固态电池的方法包括:将助焊剂施用到固体陶瓷电解质的表面;将助焊剂加热到活化温度以上的温度,以准备所述表面;以及将熔融的金属负极材料施用到准备的表面。
施用熔融的金属负极材料的步骤可以包括喷涂熔融金属的细小液滴。
施用熔融的金属负极材料的步骤可以包括使准备的表面在包含熔融的金属负极材料的淋室上通过或者使准备的表面穿过包含熔融的金属负极材料的淋室。
准备所述表面的步骤可以包括蚀刻所述表面或使所述表面粗糙。
助焊剂可以是酸性的和无水的。
附图说明
图1是固态电池的剖视图。
图2A和图2B分别是在不具有助焊剂的情况下和具有助焊剂的情况下粘附到固体陶瓷电解质的聚集的一种金属(group one metal)的透视图。
图3A和图3B是描绘制造固态电池的方法的流程图。
图4A和图4B分别是在不具有松香基助焊剂的情况下和具有松香基助焊剂的情况下固体陶瓷电解质以及聚集的一种金属和固体陶瓷电解质的组合的阻抗图。
具体实施方式
按照所要求的,本发明的详细实施例公开于此;然而,将理解的是,所公开的实施例仅仅是可以以各种形式和可替代的形式实施的本发明的举例说明。附图未必按照比例绘制;可以夸大或缩小一些特征以显示具体组件的细节。因此,在此公开的特定结构细节和功能细节将不被解释为限制,而仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
在这里描述的特定的示例中,提出了如下的低成本工艺:在锂金属熔化在固体陶瓷电解质表面之前使用化学助焊剂(chemical flux)来有效地处理固体陶瓷电解质表面从而将锂金属粘附到具有低的界面电阻和优异的附着力的固体电解质隔膜上。处理的目的在于清洁陶瓷和锂金属二者的表面以防止在界面处形成高电阻化合物,以及在于提高熔融的锂在陶瓷表面上的润湿性。
用于将金属结合到陶瓷的若干方法被知晓并且通常包括多个步骤:准备陶瓷的表面、施用填充金属层以及将填充金属结合到期望的金属组件。在一些情况下,结合机理涉及填充金属的渗透,在其他情况下,在表面处的反应形成使两个组件结合的牢固的、稳定的化合物。陶瓷-金属结合(ceramic-to-metal bonding)的最常见的应用使用高温环境(大于800℃)。对于使用锂金属作为电极的固态电池(SSB),因为如下至少两个原因而无法采用这些方法:1)因为锂金属需要与电解质表面紧密接触,所以使用填充金属是不合适的;2)因为锂在180℃熔化,所以不需要或不期望高温方法。
如上面提到的,将锂金属直接熔化在陶瓷电解质的表面上会由于差的润湿和可能由于不期望的化合物的形成而不产生低界面电阻。然而,这个问题可以通过使用酸性助焊剂而得到解决。助焊剂通常用于焊接金属,其中,助焊剂溶解将防止润湿和粘附的表面氧化物。此外,助焊剂通常具有低熔点的不反应组分,所述低熔点的不反应组分用于将溶解的氧化物远离金属-金属界面处传输并用于在焊接操作期间保护被清洁的金属表面被再氧化。这里,金属组分(锂)是高度反应的,陶瓷电解质的表面可以具有将优先与锂反应的种类,诸如OH-基团,生成LiOH,或者通过与空气中的CO2反应以形成Li2CO3,LiOH和Li2CO3是不导电的固体材料。碳酸锂或LiOH(或其他表面污物层)的存在将防止锂金属与电解质表面之间的紧密接触,并且将导致高的界面电阻。可选择地,与表面污物反应的酸性助焊剂可以用于有效地清洁该表面并允许熔融的锂被施用(例如,喷涂,通过使该表面在熔融的锂上经过而与该表面接触等)以与陶瓷电解质表面紧密接触。
作为示例,作为化学剂的松香基氯化锌助焊剂用于对表面进行预处理并改善结合到氧化锂镧锆(LLZO)固体电解质的锂金属。首先,将助焊剂施用到LLZO丸状体的表面并在氩气气氛下在热板上加热至200℃保持一分钟。然后,在保持200℃的同时将锂金属盘放置在处理后的表面的顶部。为了比较,也将锂金属粘附到没有进行化学预处理的LLZO样品。
参照图1,示出了示例SSB电池10。电池10可以设置为车辆动力系统的组件,并且可以包括金属电极20(负极或导电材料)、固体陶瓷电解质22和正极24。固体陶瓷电解质22夹在负极20与正极24之间。
金属电极20可以由金属或锂、钠、镁、铝等的金属合金制成。例如,金属电极20可以由锂金属或锂金属合金制成。金属电极20可以具有彼此相对的第一金属电极表面30和第二金属电极表面32。第二金属电极表面32可以贴近固体陶瓷电解质22设置。
固体陶瓷电解质22可以由诸如氧化锂镧锆(LLZO)、锂磷氧氮(LiPON)、LATP或LiSICON等的氧化物基电解质制成。固体陶瓷电解质22可以由用于Li+传导的诸如Li10GeP2S12或Li2S-P2S5等的硫化物基电解质、用于Na+传导的粘土和β铝族的化合物(NaAl11O17)以及其他单价离子和二价离子制成。固体陶瓷电解质22可以是薄的,具有小于近似50μm的厚度。在一个示例中,固体陶瓷电解质22可以具有近似5μm至25μm的厚度并且可以具有光滑的表面光洁度。
固体陶瓷电解质22可以具有彼此相对的第一固体陶瓷电解质表面40和第二固体陶瓷电解质表面42。第一固体陶瓷电解质表面40可以与第二金属电极表面32邻接或接合。第二固体陶瓷电解质表面42可以与正极24邻接或接合。
正极24可以由诸如磷酸铁锂、氧化锂钴、氧化锂镍钴或氧化锂锰的过渡金属氧化物制成。在一些情况下,正极24也可以由硫材料连同电子和离子导电材料制成。正极24可以是液态或半液态,半液态也可以呈静态或流动状态。
如上面提到的,将金属粘附到陶瓷的传统的粘附方法可以涉及复杂的工艺。传统的粘附工艺可以包括通过刻痕等来机械地准备陶瓷的表面、将填充金属层施用到陶瓷的机械地准备的表面、将金属施用到填充金属层以及对上述组合进行加热。填充金属层会使金属与陶瓷完全地分开。加热的步骤会在高温(超过800℃的温度)下发生。而且,加热的步骤会通过填充材料向陶瓷中的渗透而引发结合。尽管这种结合机理可以适用于需要机械地强结合的情况,但在使用这种结合机理来将金属电极结合到固体陶瓷电解质的许多应用中会在固体陶瓷电解质的表面处引起反应,所述反应形成会不是离子导电的化合物,从而导致负极与固体陶瓷电解质之间的离子传输的高电阻。
传统的粘附方法常常适用于将具有高熔点(大于600℃)的金属粘附到具有大于25μm的厚度和机械粗糙的表面的厚固体陶瓷。不幸的是,传统的粘附方法会不适用于将聚集的一种金属或聚集的一种金属合金粘附到固体陶瓷电解质的光滑表面。此外,如果金属电极20由具有近似180℃的熔点温度的锂金属或锂金属合金制成,则高温加热会通过不期望的表面化合物的更快速形成而对金属电极20与固体陶瓷电解质22的粘附产生消极影响。为了努力促进金属电极20与固体陶瓷电解质22之间的紧密接触,可以去除填充金属层。然而,仅仅去除填充金属层并向固体陶瓷电解质22的表面直接熔化金属电极20会出现可能降低SSB的性能的其他问题。
参照图2A,向固体陶瓷电解质22的表面直接熔化金属电极20会表现出差的表面润湿。不期望反应的化合物的可能形成会抑制第一固体陶瓷电解质表面40的进一步润湿。此外,金属电极20与固体陶瓷电解质22之间的不期望反应的或不导电的化合物的可能形成会产生具有高界面电阻的界面。
可以向固体陶瓷电解质22的表面施用助焊剂以改善固体陶瓷电解质22的表面润湿并最终减小界面电阻。助焊剂可以以膜、涂层、膏、粉末或喷雾施用到固体陶瓷电解质22的表面。助焊剂可以通过浸渍、刷涂或喷涂来施用。
如图2B中所示,助焊剂可以抑制不期望反应的化合物的形成,使得金属电极20可以更好地分布在第一固体陶瓷电解质表面40的上方或者润湿第一固体陶瓷电解质表面40。此外,助焊剂可以溶解已经出现在陶瓷表面上的不期望的化合物(诸如,碳酸锂或氢氧化锂)。此外,助焊剂可以溶解或抑制导电材料20与固体陶瓷电解质22之间的不期望反应的或不导电的化合物的形成以减小界面电阻;可以溶解会抑制表面润湿以及金属电极20与固体陶瓷电解质22的粘附的表面氧化物;并且可以将溶解的氧化物或污物远离导电材料20与固体陶瓷电解质22之间的界面传输。
助焊剂50可以包括非反应物质中的酸性活化剂,所述非反应物质通常称为“媒介”。媒介可以是含水物质或无水物质。无水媒介的示例包括松香。活化剂在室温下可以是酸性的或者可以在活化温度以上变为酸性的。在其活化温度以上,助焊剂50可以达到近似3至6.5范围内的pH。助焊剂50可以包括诸如枞酸(abietic acid)或海松酸(orpimaricacid)的活化剂的混合物,媒介也可以是酸性的。非酸性媒介的示例是凡士林(petroleumjelly)。活化剂可以是氯化锌助剂(zinc chloride flux),氯化锌助剂可以对固体陶瓷电解质22的表面进行预处理并且可以改善金属电极20与固体陶瓷电解质22的附着力。
助焊剂可以包含在活化温度以上反应的活化剂化合物,其中,助焊剂50可以活化以改善固体陶瓷电解质22的表面润湿。助焊剂50的活化温度可以比金属电极20的熔点温度小。例如,当金属电极20的熔点温度可以是近似200℃时,助焊剂50的活化温度可以是近似180℃。助焊剂50的活化温度可以比用于将金属电极20粘附到固体陶瓷电解质22的温度小,使得可以不需要向金属电极20和/或固体陶瓷电解质22夹层施加压力来去除任何气泡或挤出设置在第二金属电极表面32与第一固体陶瓷电解质表面40之间的任何残余的助焊剂。助焊剂50的活化和熔化温度可以比金属电极20的熔点温度小,使得金属电极20可以通过润湿而在第一固体陶瓷电解质表面40周围或在第一固体陶瓷电解质表面40上流动。
响应于将助焊剂50至少加热到其活化和熔化温度,助焊剂50可以将氧化物或其他污物溶解并远离第一固体陶瓷电解质表面40传输。助焊剂50在实现活化温度时也可以通过化学蚀刻第一固体陶瓷电解质表面40来使第一固体陶瓷电解质表面40粗糙。第一固体陶瓷电解质表面40的表面粗糙度可以基于固体陶瓷电解质22的性能、助焊剂50的活化温度、助焊剂50的组分以及助焊剂50保持在活化温度或活化温度以上的持续时间而变化。可以控制助焊剂50保持在活化温度或活化温度以上的持续时间使得表面粗糙度不超过阈值。
可以将助焊剂50施用到第一固体陶瓷电解质表面40。可以在活化温度以上对助焊剂50进行加热以使第一固体陶瓷电解质表面40粗糙。或者,可以将固体陶瓷电解质22加热至所述活化温度并且可以将其在活化温度以上保持第一时间段。在至少一个示例中,可以将第一固体陶瓷电解质表面40预热至预热温度。预热温度可以近似等于并高于助焊剂50的活化温度。当第一固体陶瓷电解质表面40达到预热温度时,可以将助焊剂50施用到第一固体陶瓷电解质表面40。
可以在惰性气氛内对固体陶瓷电解质22进行加热。惰性气氛可以是包含例如氩气的气氛。
可以将金属电极20施用到固体陶瓷电解质22。可以将第二金属电极表面32放置在粗糙的第一固体陶瓷电解质表面40上。可以在惰性气氛内对金属电极20和固体陶瓷电解质22的组合进行加热。惰性气氛可以是包含例如氩气的气氛。可以将金属电极20和固体陶瓷电解质22的组合至少加热至所述活化温度并且可以将其在所述活化温度以上保持第二时间段。第一时间段可以基本等于第二时间段。在第二时间段期间对金属电极20和固体陶瓷电解质22的组合加热的步骤可以将金属电极20粘附到粗糙的第一固体陶瓷电解质表面40以形成SSB。
可以采用多个加热工艺来加热金属电极20、固体陶瓷电解质22和/或助焊剂50。例如,可以在诸如炉的容纳环境内对金属电极20、固体陶瓷电解质22和/或助焊剂50进行感应加热或电阻加热等。不考虑采用的加热工艺,在不使填充金属层设置在导电材料20和固体陶瓷电解质22之间的情况下,金属电极20可以直接粘附到固体陶瓷电解质22。此外,助焊剂50可以在加热工艺期间远离导电材料20与固体陶瓷电解质22之间的界面流动,使得助焊剂50可以不再出现在界面处。
参照图3A,示出了制造SSB的示例方法。在框300处,可以将助焊剂50施用到固体陶瓷电解质22。可以将助焊剂50施用到第一固体陶瓷电解质表面40。在至少一个示例中,可以在施用助焊剂50之前将第一固体陶瓷电解质表面40至少加热到助焊剂50的活化温度。
在框302处,可以将金属电极20放置在固体陶瓷电解质22上。可以将金属电极20放置在固体陶瓷电解质22上使得第二金属电极表面32可以贴近第一固体陶瓷电解质表面40设置。助焊剂50可以夹在或设置在第二金属电极表面32与第一固体陶瓷电解质表面40之间。
在框304处,可以将三明治结构加热至助焊剂50的活化温度。可以在惰性气氛内对夹在金属电极20与固体陶瓷电解质22之间的助焊剂50进行加热。对助焊剂50加热的步骤可以引起助焊剂50通过例如蚀刻来使第一固体陶瓷电解质表面40粗糙。助焊剂50可以将氧化物和污物(碳酸盐、氢氧化物)远离或背离第一固体陶瓷电解质表面40传输。此外,可以使金属电极20熔化并粘附到第一固体陶瓷电解质表面40,而不需要向金属电极20施加大量的压力来有助于助焊剂50远离第一固体陶瓷电解质表面40流动或传输以及有助于导电材料20与第一固体陶瓷电解质表面40的粘附。
参照图3B,示出了制造SSB的另一示例方法。在框310处,可以将助焊剂50施用到固体陶瓷电解质22。可以将助焊剂50施用到第一固体陶瓷电解质表面40。
在框312处,可以将固体陶瓷电解质22加热至助焊剂50的活化温度。将固体陶瓷电解质22加热至助焊剂50的活化温度可以活化助焊剂50,使得助焊剂50蚀刻第一固体陶瓷电解质表面40并溶解/去除氧化物或污物。可以将固体陶瓷电解质22加热至基本不超过助焊剂50的活化温度的温度。
在框314处,可以将金属电极20放置在粗糙的第一固体陶瓷电解质表面40上。第二金属电极表面32可以直接邻接粗糙的第一固体陶瓷电解质表面40。
在框316处,可以对固体陶瓷电解质22进行加热,使得金属电极20熔化并润湿粗糙的第一固体陶瓷电解质表面40。金属电极20可以粘附到粗糙的第一固体陶瓷电解质表面40以形成SSB的负极。
参照图4A和图4B,分别示出了在不施用助焊剂50的情况下和施用助焊剂50的情况下针对粘附到阻挡电极(诸如金)上设置的固体陶瓷电解质(诸如氧化锂镧锆)的金属电极(诸如锂金属)的示例阻抗结果的奈奎斯特图。在10mV的电压信号下在范围从1MHz至1Hz的频率内执行阻抗测量。
对于图4A,虚线400表示在高频区域内固体陶瓷电解质的阻抗光谱的测量。实线402表示在高频区域内在助焊剂不施用到固体陶瓷电解质的情况下直接粘附到固体陶瓷电解质的锂金属电极的阻抗光谱的测量。实线402包括在1100ohm与3500ohm(如在Z'轴上测量的)之间的“半圆形”特征,所述“半圆形”特征表示高频区域内锂金属电极与固体陶瓷电解质之间的高界面电阻。
对于图4B,虚线410表示在高频区域内固体陶瓷电解质的阻抗光谱的测量。实线412表示在高频区域内在助焊剂50施用到固体陶瓷电解质的情况下直接粘附到固体陶瓷电解质的锂金属的阻抗光谱的测量。实线412中缺少的显著的半圆形特征表明高频区域内锂金属与固体陶瓷电解质之间的低的界面电阻。
各种实施例可以包括相关优势。例如,施用助焊剂可以改善具有固体陶瓷电解质的SSB的性能。在施用导电材料之前用助焊剂对固体陶瓷电解质的表面预处理可以改善由金属电极对固体陶瓷电解质的表面润湿并可以允许金属电极与固体陶瓷电解质紧密接触。改善的表面润湿可以减小界面电阻并可以抑制不期望的或不导电的化合物的形成。利用助焊剂的表面预处理可以将不期望的或不导电的化合物远离导电材料与固体陶瓷电解质之间的界面运送。而且,利用助焊剂的表面预处理可以保护界面在导电材料与固体陶瓷电解质的粘附工艺期间免受再氧化。
虽然上面描述了示例性实施例,但是这些实施例并非意图描述本发明的所有可能的形式。相反,在本说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的,并且应该理解的是,在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。此外,各种实现的实施例的特征可以组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (10)

1.一种制造固态电池的方法,所述方法包括:
将具有活化温度的助焊剂施用到固体陶瓷电解质的表面;
将助焊剂加热到活化温度以上的温度,以准备所述表面使得所述表面的润湿性被提高;
将金属负极放置在准备的表面上;以及
对金属负极进行加热使得金属负极粘附到准备的表面。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,助焊剂是酸性的。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,助焊剂是无水的。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,助焊剂是松香基的。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,金属负极包括锂。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,固体陶瓷电解质包括氧化锂镧锆。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,在惰性气体环境内执行对助焊剂进行加热的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,准备所述表面的步骤包括蚀刻所述表面或使所述表面粗糙。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,活化温度具有180℃与200℃范围内的值,并且小于金属负极的熔点。
10.一种制造固态电池的方法,所述方法包括:
将酸性助焊剂施用到固体陶瓷电解质的表面或金属电极的表面;
将固体陶瓷电解质和金属电极布置为彼此贴近,使得酸性助焊剂设置在固体陶瓷电解质与金属电极之间;
将酸性助焊剂加热到活化温度以上的温度,以准备固体陶瓷电解质的所述表面,使得固体陶瓷电解质的所述表面的润湿性被提高;以及
对金属电极进行加热使得金属电极粘附到准备的表面。
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