CN110915036A - 具有单离子导电层的电池组 - Google Patents

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Abstract

一种用于电池组电池的电极配置包括正电极、负电极、被插入在正电极与负电极之间的隔膜、以及被沉积在隔膜、正电极与负电极之一上的第一单离子导电层。所述第一单离子导电层被形成为连续的薄膜层。

Description

具有单离子导电层的电池组
优先权要求
本申请对2017年7月28日提交的、题为“Battery Having a Single-Ion ConductingLayer”、序列号为62/538,154的美国临时申请要求优先权，所述临时申请的公开内容通过引用以其整体被并入本文中。
技术领域
本公开内容一般涉及电池组（battery），并且更具体地涉及用于电池组的层配置。
背景技术
在电池组中，在充电和放电循环期间，离子在负电极与正电极之间转移。例如，当放电时，电子从负电极通过外部电路而流到正电极，以在外部电路中生成电流。在该过程期间，正离子、例如锂离子电池组中的锂离子在电池组内从负电极通过电解质而行进到正电极。相反地，当充电时，外部电路供应电流，所述电流使电子流反转，从正电极通过外部充电电路并且回到负电极，而正离子在电池组内从正电极通过电解质而移动到负电极。
通过其来确定电池组的性能的两个重要措施是电池组的能量密度、或所存储的能量与电池组的体积或质量的比，以及可以用来对电池组充电或放电的速率。在常规的电池组中，在电池组的能量密度与可以用来对电池组充电或放电的速率之间存在权衡。对于电池组材料的给定集合，可以通过例如改变电极中的活性材料的量来修改能量以及充电/放电速率。可以通过减小电解质所占据的孔隙空间或通过增大电极的厚度来增大电极中活性材料的量。然而，这些修改中的任一个导致可以以其来对电池（cell）充电或放电的速率中的减小。
典型的锂离子（“Li离子”）电池组具有负电极（“阳极”）、正电极（“阴极”）、以及多孔的聚烯烃隔膜。电解质存在于隔膜中，并且在一些电池组中存在于正电极和负电极中，以提供用于在两个电极之间输送锂离子的连续离子路径。
在电池组的充电或放电期间，锂离子的移动产生电场，所述电场典型地还导致反离子的输送，所述反离子在其中电解质包括LiPF6的电池组中可以是例如PF6 -。反离子输送引起通过电池的盐浓度梯度，其通过如与其中反离子是固定的电池组相比增大针对给定电流密度的电势降而限制锂离子输送的速率。该盐浓度梯度已知为“浓度极化”。
在非常高的充电或放电电流期间，在电极之一处，盐可被完全耗尽。作为结果，在高电流下充电或放电时的可用容量受限，其从而限制电池组的充电或放电速率。此外，盐的耗尽在一些实例中可导致在电极之一处的有害寄生反应，例如在快速充电期间往负电极上的石墨上的锂电镀。
一些常规的电池组尝试通过增大电池组中反应离子的迁移率而减小浓度极化。然而，增大反应离子的迁移率需要重设计电池组中的电解质，其能涉及许多另外的考虑，能增大电池组的成本，并且能以其它方式减小电池组的效率。
因此所需要的是一种用于减小电池组的浓度极化以改善电池组的效率和性能的可替换方式。
发明内容
在一个实施例中，一种用于电池组电池的电极配置包括正电极、负电极、被插入在正电极与负电极之间的隔膜、以及被沉积在隔膜、正电极与负电极之一上的第一单离子导电层。所述第一单离子导电层被形成为连续的薄膜层。
在一些实施例中，隔膜、正电极与负电极之一包括凝胶电解质。
在另外的实施例中，所述第一单离子导电层包括锂磷氧氮（“LiPON”）。在一些实施例中，所述第一单离子导电层仅由LiPON组成。
在另一实施例中，所述隔膜包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在隔膜上。
在电极配置的一些实施例中，所述正电极包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在正电极上。
在又一实施例中，所述负电极包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在负电极上。
电极配置的一些实施例此外包括被沉积在隔膜、正电极、与负电极中第二个上的第二单离子导电层。所述第二单离子导电层被形成为连续的薄膜层。所述第一单离子导电层被插入在隔膜与正电极之间，并且所述第二单离子导电层被插入在隔膜与负电极之间。
在电极配置的另一实施例中，所述隔膜包括凝胶电解质。所述第一单离子导电层被沉积在隔膜的第一侧上，并且所述第二单离子导电层被沉积在隔膜的第二相对侧上。
在又一实施例中，所述第一单离子导电层被沉积在正电极上，并且所述第二单离子导电层被沉积在负电极上。
在另外的实施例中，所述第一单离子导电层被沉积在正电极与负电极之一上，并且所述第二单离子导电层被沉积在隔膜上、在隔膜的与第一单离子导电层相对的侧上。
所述隔膜在一些实施例中是连续的聚合物层。在一个实施例中，所述隔膜包括从包括以下各项的组中所选的至少一个：聚环氧乙烷（“PEO”）、聚苯乙烯-环氧乙烷（“PS-EO”）共聚物、聚（甲基丙烯酸甲酯）（“PMMA”）、偏二氟乙烯（“VDF”）/六氟丙烯（“HFP”）共聚物以及聚丙烯腈。
在电极配置的另一实施例中，所述第一单离子导电层具有在10nm与1000nm之间的厚度，并且所述隔膜具有在5μm与20μm之间的厚度。
在电极配置的另外的实施例中，所述正电极和负电极具有以下各项中的至少一个：不同的盐组成、不同的盐浓度、不同的溶剂组成、以及不同的添加剂。
在一个实施例中，电池组包括多个电池组电池，每个电池组电池包括如下电极布置：所述电极布置包括正电极、负电极、被插入在正电极与负电极之间的隔膜、以及被沉积在隔膜、正电极与负电极之一上的第一单离子导电层。所述第一单离子导电层被形成为连续的薄膜层。
在另外的实施例中，隔膜、正电极与负电极之一包括凝胶电解质。
在电池组的一些实施例中，所述第一单离子导电层包括锂磷氧氮（“LiPON”）。
在另一实施例中，所述隔膜包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在隔膜上。
另一实施例的电池组此外包括被沉积在隔膜、正电极、与负电极中第二个上的第二单离子导电层。所述第二单离子导电层被形成为连续的薄膜层。所述第一单离子导电层被插入在隔膜与正电极之间，并且所述第二单离子导电层被插入在隔膜与负电极之间。
附图说明
图1是根据本公开内容的电池组包（battery pack）的示意图。
图2是在正电极与隔膜之间具有SIC层的图1的电池组包的电池组电极配置的示意图。
图3是在负电极与隔膜之间具有SIC层的图1的电池组包的电池组电极配置的示意图。
图4是在正电极与隔膜之间具有第一SIC层并且在负电极与隔膜之间具有第二SIC层的图1的电池组包的电池组电极配置的示意图。
具体实施方式
为了促进理解在本文中描述的实施例的原理的目的，现在参考附图以及在以下所撰写的说明书中的描述。不意图通过参考标记的对主题范围的任何限制。本公开内容还包括对所图示的实施例的任何变更和修改，并且包括如本文档所属于的技术方面的技术人员通常将会想到的所描述的实施例的原理的另外的应用。
各种操作可以进而用对理解所要求保护的主题最有帮助的方式被描述为多个分立的动作或操作。然而，描述的次序不应当被解释为暗示这些操作必定是次序相关的。特别地，可以不以呈现的次序来执行这些操作。可以用与所描述的实施例不同的次序来执行所描述的操作。在附加的实施例中，各种附加的操作可以被执行和/或所描述的操作可以被省略。
如关于本公开内容的实施例所使用的术语“包括”、“包括有”、“具有”等等是同义的。如本文中所使用的，术语“近似”是指在参照值的±20%内的值。
以下讨论的本公开内容的实施例可适用于任何期望的电池组化学过程。一些示例涉及锂离子电池组，以用于说明目的。如本文中所使用的，术语“锂离子电池组”是指包括锂作为活性材料的任何电池组。特别地，锂离子电池组无限制地包括基于锂的液体电解质、固体电解质、凝胶电解质，并且电池组通常被称为锂聚合物电池组或锂离子聚合物电池组。如本文中所使用的，术语“凝胶电解质”是指被灌输有液体电解质的聚合物。
现在参考图1，电池组包100包括被布置在包外壳104中的多个电池组电池102。电池组电池102中的每一个包括电池外壳106，从其中暴露正端子108和负端子112。在并联布置中，正端子108可以通过汇流条116而被连接到彼此，并且负端子112可以通过不同的汇流条120而被连接到彼此。在串联布置中，正端子108可以通过集电器而被连接到相邻的负端子112。集电器116、120被连接到相应的正和负电池组包端子124、128，其连接到外部电路132，所述外部电路132可以由电池组包100供电，或可以被配置成为电池组包100充电。
如图2中所描绘的，每个电池组电池102包括电极配置200，所述电极配置200中的每一个包括正电极204、单离子导电（“SIC”）层208、隔膜层212、以及负电极216。在一些实施例中，电极配置200的多层在电池组电池102内被堆叠在彼此的顶上，以便形成电极堆叠。在其它实施例中，电极配置200在电池组电池102内以螺旋形状绕在自身周围，以便形成已知为“果冻卷（jelly-roll）”或“瑞士卷（Swiss-roll）”配置的事物。
正电极具有在1与500微米之间的厚度，并且包含活性材料、导电添加剂材料，并且在一些实施例中包含聚合物粘合剂材料，所述聚合物粘合剂材料将各种材料粘合在一起。在各种实施例中，活性材料可以包括以下各项中的一个或多个：镍钴铝酸锂（“NCA”）、镍钴锰酸锂（“NCM”）、钴酸锂（“LCO”）、磷酸锂铁（“LFP”）、锰酸锂（“LMO”）、这些材料的组合、或任何其它合适的正电极活性材料。导电添加剂材料可以包括以下各项中的一个或多个：碳黑、金属粒子、以及另一合适的导电材料。粘合剂材料可以是例如丁苯橡胶（“SBR”）或聚偏二氟乙烯（“PVDF”）。正电极204是多孔的，并且在孔隙内包括液体或凝胶电解质，其在一些实施例中包括LiPF6。在包括凝胶电解质的正电极204的一些实施例中，正电极204可以不包括聚合物粘合剂材料。
负电极216包括活性材料的粒子，所述活性材料可以是例如石墨、硬碳、硅、氧化硅、锡、钛酸锂（“LTO”）等等，或这些材料的组合。负电极216还可以包括聚合物粘合剂，所述聚合物粘合剂可以是例如SBR或PVDF，以及导电添加剂，例如碳黑。类似于正电极204，负电极216是多孔的，并且在孔隙内包括液体或凝胶电解质，其在一些实施例中包括LiPF6。在包括凝胶电解质的负电极216的一些实施例中，负电极216可以省略聚合物粘合剂材料。
隔膜层212被插入在正和负电极204、216之间，以便分离电极204、216。在一些实施例中，隔膜层212的厚度小于500微米，并且在另外的实施例中，隔膜层212的厚度小于20微米。在电池组100的实施例中，隔膜层212由多孔聚烯烃形成，所述多孔聚烯烃可以覆盖有陶瓷粒子的涂层。隔膜212的多孔聚烯烃填充有液体或凝胶电解质。在其中电解质是凝胶电解质的实施例中，隔膜212包括连续的聚合物层，例如聚环氧乙烷（“PEO”）、聚苯乙烯-环氧乙烷（“PS-EO”）共聚物、聚（甲基丙烯酸甲酯）（“PMMA”）、偏二氟乙烯（“VDF”）/六氟丙烯（“HFP”）共聚物、聚丙烯腈（“PAN”）等等、或其组合，其灌输有液体电解质。在一些实施例中，隔膜可以是多孔的陶瓷薄板，其填充有液体或凝胶电解质。
SIC层208是沉积在电极204、216之一或二者上的相对薄的、连续的单离子导电层。在一些实施例中，SIC层208由锂磷氧氮（“LiPON”）形成，所述锂磷氧氮（“LiPON”）在室温下具有低导电率（近似10-6 S/cm），但是可以作为薄膜被沉积以减小SIC层208的离子电阻。
SIC层208被沉积在正电极204、负电极216和隔膜212中至少一个上。在图2中所图示的实施例中，SIC层208被沉积在隔膜212与正电极204之间在隔膜212、正电极204上、或者在隔膜212与正电极204二者上。在图3中所图示的另一实施例中，SIC层208被沉积在隔膜212与负电极216之间在隔膜212、负电极216上、或者在隔膜212与负电极216二者上。在图4中所图示的又一实施例中，电极配置200包括两个SIC层208，一个被插入在正电极204与隔膜212之间，并且另一个被插入在隔膜212与负电极216之间。
在一些实施例中，在其上沉积SIC层208的层具有凝胶电解质。因而，LiPON被沉积在凝胶电解质的聚合物、而不是多孔基底上，其使能实现高品质的LiPON薄膜沉积。具体地，将SIC层208的LiPON施加到凝胶电解质层使得LiPON的薄膜能够覆盖凝胶电解质的整个表面，从而形成连续的未断的层，其被插入在隔膜212与相关联的一个或多个电极之间。在一些实施例中，在其上施加SIC层208的层可以包括由凝胶电解质形成的一部分，以及由多孔的固体与液体电解质所形成的一部分。在这样的实施例中，SIC层被施加到凝胶电解质部分。
在其上不沉积SIC层208的层204、212、216可以包括液体电解质和/或凝胶电解质。在一个特定的实施例中，在其上不沉积SIC层208的（多个）层具有液体电解质，其导致（多个）层的经改善的离子导电率。在一些实施例中，在SIC被沉积到凝胶电解质的聚合物组分以及层的其它固体组分上之后引入凝胶电解质的液体和/或盐组分。
一个或多个SIC层208仅仅允许单个离子、例如锂离子跨一个或多个层边界而行进。一个或多个SIC层208抑制或防止盐跨层混合，从而将盐划分在每个电极204、216中。作为结果，减少或消除反离子输送，从而导致在高电流下的减小的盐极化或浓度差异。因此，电池组电池的充电和放电速率能力比起常规电池组来得以改善。
另外，由于一个或多个SIC层208抑制或防止盐跨SIC层208而混合，所以电极配置在一个或多个SIC层208的相对侧上可以具有不同的盐或不同的盐组成。作为结果，在正电极204、隔膜212和/或负电极216中所使用的盐可以是不同的。该配置使得能够基于各种层204、212、216的所期望的性质来优化用于电极204、216或者隔膜层212的盐。在一些实施例中，电极配置在（多个）SIC层208的相对侧上可以具有相同的盐，但是盐的浓度、与盐一起使用的溶剂或者与盐一起使用的添加剂的组成在（多个）SIC层208的相对侧上可以不同。
在一些常规的电池组中，在负电极中的局部盐耗尽能加速不想要的侧的反应，诸如锂金属沉积。在根据本公开内容的一个实施例中，负电极中的电解质具有较高的盐浓度，使得在高速率的电池组充电期间减少或避免负电极中的盐的局部耗尽。例如，超高盐浓度具有与典型浓度（t+ ~0.4）相比的经证明的高迁移数（t+＞0.7），其进一步减小浓度极化。然而，较高的盐浓度能同时具有较高的离子电阻率并且因此在高充电和放电电流的条件下给予较高的内部加热速率。维持电池组电池的正电极中的较低盐浓度（例如在1到1.4M范围中，其中导电率通常最高）减小或最小化正电极中加热的电阻和速率。此外，增大正电极中的盐浓度不如负电极中增大的盐浓度那样有利，因为由于正电极的高电势，在正电极中不太可能发生锂电镀。此外，盐倾向于是电池组电池的昂贵组分，并且在其中盐不是必要的情况下减小盐的浓度为电池组提供成本优势。
此外，一些溶剂（例如乙腈、砜）在正电极运作所在的高电势下具有良好的稳定性，但是在负电极运作所在的低电势下可具有减小的稳定性。因此，划分正和负电极提供使用在两个电极中具有不同稳定性窗口的不同溶剂、盐和添加剂的机会，从而改善电池组的性能。
在一个实施例中，隔膜层212包括在近似5μm与近似20μm之间的连续聚合物膜，并且隔膜层212涂覆有在近似10nm与近似1000nm之间的LiPON作为SIC层208。在一个特定实施例中，SIC层208是在近似50nm与近似500nm之间的LiPON。LiPON SIC层208可以在隔膜212的与正电极204相同的侧上（图2）、隔膜212的与负电极216相同的侧上（图3），或者隔膜212可以在两侧上都涂覆有SIC层208（图4）。
在形成了电极配置200之后，负电极216、隔膜212和正电极204被层压在一起，并且被堆叠或缠绕在一起以形成高容量的电池堆叠或果冻卷。该堆叠或果冻卷被放置在电池外壳106中（图1），经由金属极耳（tab）、通过例如超声波焊接而被连接到端子108、112，并且液体电解质被引入到外壳中以填充电极204、216的孔隙（图2-4），并且取决于SIC层的配置，同时使聚合物在隔膜212中形成胶体。在一些实施例中，SIC层被沉积到包含已经形成胶体的电解质的层（隔膜或电极）上。在一些实施例中，如通过SIC的位置所限定的电池堆叠或果冻卷的两个或多个隔室必须被填充有液体电解质的两个或更多集合。液体电解质中的每一个可以具有不同的组成，包括不同的溶剂、盐和添加剂，和/或以不同的比率。
电池102然后被密封并且经历形成循环，并且在一些实施例中，经历电池102的形成后除气。在所公开的实施例中，凝胶电解质的量与液体电解质的量相比很小，或换言之，凝胶电解质必须在其之上输送离子的厚度被最小化。作为结果，电池组的离子导电率作为整体与具有更高的胶体与液体电解质比率的电池组相比很高。在一些实施例中，隔膜212由VDF和HFP或可替换地PS和EO的嵌段共聚物形成，作为具有高机械强度的自支撑膜，其促进将LiPON SIC层208沉积到隔膜212上。
在另一实施例中，LiPON或另一低反离子渗透性的层被涂覆到一个或两个电极204、216上，并且在其上沉积LiPON的（多个）电极204、216包含随后在液体电解质填充过程期间形成胶体的聚合物。在该实施例中，促进了LiPON的处理。
在根据本公开内容的电池组100中，与常规电池组相反，电极配置200包括SIC层208，所述SIC层208具有对于反离子的低渗透性，所述反离子是不参与电极反应的离子。在电池组放电期间，锂离子通过隔膜212和SIC层208、从负电极216到正电极204流动。在常规电池组中，在放电期间，反离子倾向于在相反的方向上、从正电极到负电极流动。这使得离子浓度在负电极近旁很大，并且在正电极近旁很低，其如以上所讨论的除了电池组中潜在不合期望的反应之外还能引起电池组的减小的充电和放电容量与速度。SIC层208阻碍反离子在电池组100的放电期间从正电极204移动到负电极216。作为结果，在负电极与正电极近旁的离子浓度保持更接近于平衡浓度。因此，负浓度极化效应在电池组100中减小。同样地，在电池组的充电期间，SIC层208反向执行基本上相同的功能。
将领会的是，以上所描述的和其它特征和功能的变体、或其可替换方案可以合期望地被组合到许多其它不同的系统、应用或方法中。各种目前没有预见或没有预料到的可替换方案、修改、变型或改善可以随后由本领域技术人员做出，其也意图被前述公开内容所涵盖。

Claims (20)

1.一种用于电池组电池的电极配置，包括：
正电极；
负电极；
被插入在正电极与负电极之间的隔膜；以及
被沉积在隔膜、正电极与负电极之一上的第一单离子导电层，所述第一单离子导电层被形成为连续的薄膜层。
2.根据权利要求1所述的电极配置，其中所述隔膜、正电极与负电极之一包括凝胶电解质。
3.根据权利要求2所述的电极配置，其中所述第一单离子导电层包括锂磷氧氮（“LiPON”）。
4.根据权利要求3所述的电极配置，其中所述第一单离子导电层由LiPON组成。
5.根据权利要求2所述的电极配置，其中所述隔膜包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在隔膜上。
6.根据权利要求2所述的电极配置，其中所述正电极包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在正电极上。
7.根据权利要求2所述的电极配置，其中所述负电极包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在负电极上。
8.根据权利要求2所述的电极配置，此外包括：
被沉积在隔膜、正电极与负电极中的第二个上的第二单离子导电层，所述第二单离子导电层被形成为连续的薄膜层，
其中所述第一单离子导电层被插入在隔膜与正电极之间，并且所述第二单离子导电层被插入在隔膜与负电极之间。
9.根据权利要求8所述的电极配置，其中：
所述隔膜包括凝胶电解质；并且
所述第一单离子导电层被沉积在隔膜的第一侧上，并且所述第二单离子导电层被沉积在隔膜的第二相对侧上。
10.根据权利要求8所述的电极配置，其中所述第一单离子导电层被沉积在正电极上，并且所述第二单离子导电层被沉积在负电极上。
11.根据权利要求8所述的电极配置，其中所述第一单离子导电层被沉积在正电极与负电极之一上，并且所述第二单离子导电层被沉积在隔膜上、在隔膜的与第一单离子导电层相对的侧上。
12.根据权利要求2所述的电极配置，其中所述隔膜是连续的聚合物层。
13.根据权利要求12所述的电极配置，其中所述隔膜包括从包括以下各项的组中所选的至少一个：聚环氧乙烷（“PEO”）、聚苯乙烯-环氧乙烷（“PS-EO”）共聚物、聚（甲基丙烯酸甲酯）（“PMMA”）、偏二氟乙烯（“VDF”）/六氟丙烯（“HFP”）共聚物以及聚丙烯腈。
14.根据权利要求2所述的电极配置，其中所述第一单离子导电层具有在10nm与1000nm之间的厚度，并且所述隔膜具有在5μm与20μm之间的厚度。
15.根据权利要求1所述的电极配置，其中所述正电极和负电极具有以下各项中的至少一个：不同的盐组成、不同的盐浓度、不同的溶剂组成、以及不同的添加剂。
16.一种电池组，包括：
多个电池组电池，每个电池组电池包括电极布置，所述电极布置包括：
正电极；
负电极；
被插入在正电极与负电极之间的隔膜；以及
被沉积在隔膜、正电极与负电极之一上的第一单离子导电层，所述第一单离子导电层被形成为连续的薄膜层。
17.根据权利要求16所述的电池组，其中所述隔膜、正电极与负电极之一包括凝胶电解质。
18.根据权利要求17所述的电池组，其中所述第一单离子导电层包括锂磷氧氮（“LiPON”）。
19.根据权利要求17所述的电池组，其中所述隔膜包括凝胶电解质，并且所述第一单离子导电层被沉积在隔膜上。
20.根据权利要求17所述的电池组，此外包括：
被沉积在隔膜、正电极与负电极中的第二个上的第二单离子导电层，所述第二单离子导电层被形成为连续的薄膜层，
其中所述第一单离子导电层被插入在隔膜与正电极之间，并且所述第二单离子导电层被插入在隔膜与负电极之间。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110176625A (zh) * 2019-05-15 2019-08-27 复阳固态储能科技(溧阳)有限公司 一种固体电解质材料及其制备方法
CN113067099A (zh) * 2021-03-24 2021-07-02 电子科技大学 复合型锂电池隔膜及其制备方法、锂电池及电子装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12002963B2 (en) 2018-05-31 2024-06-04 Robert Bosch Gmbh Electrode configuration with a protrusion inhibiting separator
WO2021257973A1 (en) * 2020-06-19 2021-12-23 The Regents Of The University Of Michigan Hybrid electrolyte for lithium metal battery

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1726608A (zh) * 2002-10-15 2006-01-25 波利普拉斯电池有限公司 用于保护活性金属阳极的离子导电复合体
CN1728418A (zh) * 1999-11-23 2006-02-01 分子技术股份有限公司 电化电池的锂阳极
US7070632B1 (en) * 2001-07-25 2006-07-04 Polyplus Battery Company Electrochemical device separator structures with barrier layer on non-swelling membrane
US20070015060A1 (en) * 2005-07-15 2007-01-18 Cymbet Corporation Thin-film batteries with soft and hard electrolyte layers and method
CN101752610A (zh) * 2008-12-18 2010-06-23 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种非水电解质金属锂电池及其制备方法
CN103022415A (zh) * 2011-09-26 2013-04-03 比亚迪股份有限公司 一种正极及其制备方法以及一种锂离子电池
US20140234726A1 (en) * 2013-02-21 2014-08-21 John F. Christensen Lithium Battery with Composite Solid Electrolyte
CN105655632A (zh) * 2016-03-17 2016-06-08 湖北知本信息科技有限公司 一种锂空气电池制备方法及制备的锂空气电池
US20160211547A1 (en) * 2015-01-15 2016-07-21 Google Inc. Hybrid Rechargeable Battery
US20160308243A1 (en) * 2013-04-23 2016-10-20 Applied Materials, Inc. Electrochemical cell with solid and liquid electrolytes
US20160351878A1 (en) * 2002-10-15 2016-12-01 Polyplus Battery Company Advanced lithium ion batteries based on solid state protected lithium electrodes

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101704172B1 (ko) * 2015-03-09 2017-02-07 현대자동차주식회사 나노 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지 및 이의 제조방법

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1728418A (zh) * 1999-11-23 2006-02-01 分子技术股份有限公司 电化电池的锂阳极
US7070632B1 (en) * 2001-07-25 2006-07-04 Polyplus Battery Company Electrochemical device separator structures with barrier layer on non-swelling membrane
CN1726608A (zh) * 2002-10-15 2006-01-25 波利普拉斯电池有限公司 用于保护活性金属阳极的离子导电复合体
US20160351878A1 (en) * 2002-10-15 2016-12-01 Polyplus Battery Company Advanced lithium ion batteries based on solid state protected lithium electrodes
US20070015060A1 (en) * 2005-07-15 2007-01-18 Cymbet Corporation Thin-film batteries with soft and hard electrolyte layers and method
CN101752610A (zh) * 2008-12-18 2010-06-23 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种非水电解质金属锂电池及其制备方法
CN103022415A (zh) * 2011-09-26 2013-04-03 比亚迪股份有限公司 一种正极及其制备方法以及一种锂离子电池
US20140234726A1 (en) * 2013-02-21 2014-08-21 John F. Christensen Lithium Battery with Composite Solid Electrolyte
US20160308243A1 (en) * 2013-04-23 2016-10-20 Applied Materials, Inc. Electrochemical cell with solid and liquid electrolytes
US20160211547A1 (en) * 2015-01-15 2016-07-21 Google Inc. Hybrid Rechargeable Battery
CN105655632A (zh) * 2016-03-17 2016-06-08 湖北知本信息科技有限公司 一种锂空气电池制备方法及制备的锂空气电池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110176625A (zh) * 2019-05-15 2019-08-27 复阳固态储能科技(溧阳)有限公司 一种固体电解质材料及其制备方法
CN110176625B (zh) * 2019-05-15 2021-01-01 复阳固态储能科技(溧阳)有限公司 一种固体电解质材料及其制备方法
CN113067099A (zh) * 2021-03-24 2021-07-02 电子科技大学 复合型锂电池隔膜及其制备方法、锂电池及电子装置

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