CN109417189B - 电解质 - Google Patents

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Abstract

电解质，其包含离子导电聚合物、离子导电陶瓷和介电常数为至少约50的介电材料。该电解质可以包含在二次电池组的阴极中以改进电池组电池内的离子导电性。

Description

电解质
领域
本发明普遍地涉及用于二次电池组的电解质，更特别地涉及用于锂电池组的固态电解质。
背景
可再充电的锂电池组是用于便携式电气和电子设备以及电动和混合动力电动车辆的有吸引力的能量存储设备，因为与其它电化学能量存储设备相比它们具有高比能。典型的锂电池包括负电极、正电极和位于负电极和正电极之间的隔膜。两个电极都含有可逆地与锂反应的活性物质。在一些情况下，负电极可以包含锂金属，其可以可逆地电化学溶解并沉积。隔膜包含具有锂阳离子的电解质，并且用作电极之间的物理屏障，以使得所述电极无一在电池内电连接。
通常，在充电期间，在正电极处产生电子并在负电极处消耗相等量的电子。在放电期间，发生相反的反应。
目前的锂离子电池达到其理论上的最大能量存储能力，并且仍然不能提供具有足以使电动车辆范围大于约100英里的能量存储的经济性电池组。下一代全固态锂离子电池组是活跃的研究领域。抑制下一代固态电池组商业化的一个因素是缺乏合适的固态电解质。现有的固态电解质表现出一种或多种缺陷，包括导电性不足（例如聚合物）、加工性差和高边界电阻（例如陶瓷）和/或对空气和水的化学不稳定性（例如硫化物材料）。因此需要能够实现下一代电池组的固态电解质。
概述
本文公开的某些实施方案的概述被如下阐述。应当理解，提出这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施方案的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以包含可能未在下面阐述的各种方面。
本公开的实施方案涉及电解质组合物及其在二次电池组中的用途。
在一个实施方案中，本公开提供电解质，其包含：离子导电聚合物；离子导电陶瓷；和介电常数为至少约50的介电材料。
在另一个实施方案中，本公开提供阴极，其包含：活性阴极材料；导电材料；和电解质，所述电解质包含：离子导电聚合物；离子导电陶瓷；和介电常数为至少约50的介电材料。
在另一个实施方案中，本公开提供电池组，其包括：阳极；隔膜；和阴极，所述阴极包含活性阴极材料；导电材料；和电解质，所述电解质包含：离子导电聚合物；离子导电陶瓷；和介电常数为至少约50的介电材料。
在以下的附图、详述和权利要求书中阐述了本公开的一个或多个特征、方面、实施方式和优点的细节。
附图简述
图1是说明根据一些实施方案的阴极电极的示意图。
图2是说明根据一些实施方案的包括电池组电池的电池组的示意图。
详述
下面将描述一个或多个具体实施方案。对于本领域技术人员来说，对所描述的实施方案的各种修改是容易地显而易见的，并且在不脱离所描述的实施方案的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其它实施方案和应用。因此，所描述的实施方案不限于所示的实施方案，而是与符合本文公开的原理和特征的最宽范围相一致。
在一个方面，本发明提供了电解质。在一个实施方案中，所述电解质包含离子导电聚合物，和/或离子导电陶瓷，和介电材料。在各种实施方案中，该离子导电聚合物包含允许金属离子在阴极和阳极之传导的重复单元（例如环氧乙烷衍生物、环氧丙烷衍生物、乙撑亚胺衍生物、硅烷衍生物、硅氧烷衍生物、偏二氟乙烯衍生物、苯胺衍生物、丙烯腈衍生物、噻吩衍生物）。在各种实施方案中，该离子导电陶瓷包含含锂的陶瓷（例如锂铝钛硅磷酸盐（LATSP）、锆酸镧锂（LLZO）、钛酸镧锂（LLTO）。在各种实例中，所述介电材料可包含介电颗粒。
合适的介电材料包括但不限于锆硅氧化物（ZrSiOx）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）、钛酸铅镧锆（PbLaZrTiO3）（PLZT）、钛酸锶钡（BaSrTiO3）、氧化钽（Ta2O5）、铋钒锰氧化物（BiVMnO3）（BVMO）、钛酸锆铅（PbZrTiO3）（PZT）、钽酸锶铋（SrBi2Ta2O9）（SBT）及其组合。在实施方案中，所述介电材料包含钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）、钛酸铅镧锆（PbLaZrTiO3）（PLZT）、钛酸锶钡（BaSrTiO3）、氧化钽（Ta2O5）、铋钒锰氧化物（BiVMnO3）（BVMO）、钛酸锆铅（PbZrTiO3）（PZT）、钽酸锶铋（SrBi2Ta2O9）（SBT）及其组合。
在实施方案中，所述介电材料的介电常数可以是至少约50，至少约100，至少约300，至少约500，至少约800，至少约1000及其组合。在一些实施方案中，所述介电颗粒的介电常数可以是至少约50，至少约100，至少约300，至少约500，至少约800，至少约1000，小于约15000，小于约10000，小于约5000，小于约3000，小于约2500，小于约2000，及其组合。
在实施方案中，所述介电颗粒的平均粒度可以小于约1000纳米，小于约750纳米，小于约500纳米，小于约400纳米，小于约250纳米，小于约150纳米，小于约100纳米，小于约50纳米，小于大约20纳米，至少约1纳米，至少约2纳米，至少约5纳米，至少约10纳米，及其组合。
在实施方案中，可以改变所述电解质的材料的比例以获得所需水平的离子导电性。在一些实施方案中，电解质可包含离子导电聚合物和电介质。在一些实施方案中，电解质可包含离子导电陶瓷和介电材料。在某些实施方案中，电解质可以包含离子导电聚合物、离子导电陶瓷和电介质。在某些实施方案中，离子导电聚合物可以以约0至约99.9重量％的量存在，离子导电陶瓷可以以约99.9至约0重量％的量存在，并且介电材料可以以约0.1至约10重量％的量存在，基于所述电解质的总重量计。在某些实施方案中，离子导电聚合物可以以约15至约85重量％的量存在，离子导电陶瓷可以以约15至约85％的量存在，并且介电材料可以以约0.1至约10重量％的量存在，基于所述电解质的总重量计。在一些实施方案中，电解质可另外包含电活性材料（例如，锂反应产物）。在某些实施方案中，该电活性材料可以以约0至约85重量％的量存在，基于所述电解质的总重量计。
在实施方案中，电解质可另外含有锂盐（例如，双-三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）、六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4））。所述锂盐可以以约0至约60重量％的比例存在，基于所述电解质的总重量计。
在实施方案中，所述电解质可以通过混合离子导电聚合物、离子导电陶瓷和介电材料来形成。混合物的组分可以均匀或非均匀地分布。在一些实施方案中，在加入离子导电聚合物之前，可以用介电材料处理离子导电陶瓷。在另一个实施方案中，离子导电陶瓷可以用介电颗粒预处理。在某些实施方案中，离子导电陶瓷的预处理导致介电颗粒基本上在该离子导电陶瓷的表面上。
在各种实施方案中，介电材料不完全涂覆离子导电陶瓷。离子导电聚合物和离子导电陶瓷之间的物理接触可以提供使金属离子可移动通过的复合路径。不受任何理论的束缚，据信在聚合物-陶瓷界面附近添加高介电常数材料减少了界面处的空间电荷区的形成，这促进了离子导电性。所得复合电解质将具有改进的总离子导电性和高的迁移数。
本发明还提供了阴极。阴极100的实施方案在图1中示出。在图1的实施例中，阴极100包括具有第一面和第二面的集流体110（例如金属箔）、第一阴极层120，所述第一阴极层包含活性阴极材料，例如但不限于硫或含硫材料（例如聚丙烯腈-硫复合材料（PAN-S复合材料）、硫化锂（Li2S））；氧化钒（例如五氧化二钒（V2O5））；金属氟化物（例如钛、钒、铁、钴、铋、铜的氟化物及其组合）；锂嵌入材料（例如锂镍锰钴氧化物（NMC）、富锂NMC、锂镍锰氧化物（LiNi0.5Mn1.5O4））；锂过渡金属氧化物（例如锂钴氧化物（LiCoO2）、锂锰氧化物（LiMn2O4）、锂镍钴铝氧化物（NCA）及其组合）；磷酸锂（例如磷酸铁锂（LiFePO4））、多孔导电材料（例如炭黑、碳纤维、石墨、石墨烯及其组合）和沉积在金属箔110的第一面上的电解质（例如上面实施的电解质）。该金属箔110可以另外在第二面上涂覆有第二阴极层130，所述第二阴极层包含活性阴极材料、多孔导电材料和电解质。第一阴极层120和第二阴极层130的厚度和组成可以相同或不同。在另一实施方案中，第一阴极层120和第二阴极层130的组成相同。在各种实施方案中，电解质可包括上面实施的电解质。
在实施方案中，可以改变第一阴极层120和/或第二阴极层130的材料的比例，以实现阴极100的所需容量。在一些实施方案中，第一阴极层120和/或第二阴极层130的材料可以包含约60至约85重量％的量的活性阴极材料、约3至约10重量％的量的导电材料和约15至约35重量％的量的电解质，基于所述活性阴极材料、多孔导电材料和电解质的总重量计。
在实施方案中，阴极100的制备包括浆料法，其中将导电材料、活性阴极材料和电解质加入溶剂中以形成浆料。然后可以将该浆料施加到金属箔110上，接着刮涂以形成阴极100。
本发明还提供电池组。图2中示出了电池组200的实施方案。电池组200包括电池组电池202、阳极集流体205、阳极210、隔膜220、阴极230和阴极集流体235。在各种实施中，阳极集流体205包含铜。在各种实施例中，阳极210可包含可氧化的金属（例如锂）、能够嵌入锂的材料（例如石墨烯、氮化硼）、固态电解质或固态聚合电解质（例如聚环氧乙烷、硅烷聚合物、硅氧烷聚合物、离子导电陶瓷及其组合）、多孔导电添加剂（例如炭黑、石墨、石墨烯）、离子导电陶瓷（例如锂磷氧氮（LiPON）、锂铝钛磷酸盐（LATP）、锂铝锗磷酸盐（LAGP））。在各种实施例中，用于隔膜220的合适材料可以包含多孔聚合物（例如聚苯乙烯-聚环氧乙烷（PS-PEO））、陶瓷（例如锂磷氧氮（LiPON）、锂铝钛磷酸盐（LATP）、锂铝锗磷酸盐（LAGP））和/或二维片材结构（例如石墨烯、氮化硼、二硫属化物）。在各种实施例中，阴极230可包括图1的阴极100。
在实施方案中，阴极230、隔膜220和/或阳极210包含离子导电电解质，其进一步包含金属盐（例如六氟磷酸锂（LiPF6）、双-三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）、高氯酸锂（LiClO4）），其为电解质提供了额外的导电性，这降低了电池组电池的内部电阻。
相信本文描述的实施方案及其许多伴随的优点将通过前面的描述来理解，并且显而易见的是可以在组分的形式、构造和布置方面进行各种改变而不背离所公开的主题或不牺牲其材料优点的全部。所述形式仅仅是解释性的，并且下面的权利要求旨在包含和包括这些改变。

Claims (14)

1.电解质，其包含：
a) 离子导电聚合物；
b) 离子导电陶瓷；和
c) 介电常数为至少50的介电材料，
其中所述介电材料以颗粒形式在所述离子导电陶瓷的表面上。
2.权利要求1的电解质，
其中所述离子导电聚合物包含选自环氧乙烷衍生物、环氧丙烷衍生物、乙撑亚胺衍生物、硅烷衍生物、硅氧烷衍生物及其组合的重复单元。
3.权利要求1的电解质，
其中离子导电陶瓷包含选自锂铝钛硅磷酸盐、锆酸镧锂、钛酸镧锂及其组合的材料。
4.权利要求1的电解质，
其进一步包含d)锂盐。
5.权利要求4的电解质，
其中所述锂盐包括选自双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂及其组合的锂盐。
6.权利要求1的电解质，
其中所述介电材料包括选自钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅镧锆、钛酸锶钡、氧化钽、铋钒锰氧化物、钛酸锆铅、钽酸锶铋及其组合的材料。
7.权利要求1的电解质，
其中所述介电材料包含平均粒度小于500纳米的介电纳米颗粒。
8.权利要求7的电解质，
其中所述介电纳米颗粒的平均粒度小于100纳米。
9.权利要求1的电解质，
其中所述介电材料的介电常数为至少300。
10.权利要求9的电解质，
其中所述介电材料的介电常数为至少1000。
11.权利要求1的电解质，
其中所述介电材料以基于所述电解质的总重量计0.1至10重量％的量存在。
12.权利要求1的电解质，
其中在表面上具有介电材料的离子导电陶瓷分布遍及所述离子导电聚合物。
13.阴极，其包含：
a) 活性阴极材料；
b) 多孔导电材料；和
c) 权利要求1的电解质。
14.电池组，其包括：
a) 阳极；
b) 隔膜；和
c) 权利要求13的阴极。
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