CN112467091A - 基于无机氧化物颗粒的电极及固态电池 - Google Patents

基于无机氧化物颗粒的电极及固态电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无机氧化物颗粒的电极，包括电极活性层，所述电极活性层内含有用于传导离子的无机氧化物颗粒Ⅰ。本发明还公开了一种基于无机氧化物颗粒的固态电池，包括正极、负极和位于所述正极与负极之间的固态电解质层，所述正极和/或负极采用如上所述的基于无机氧化物颗粒的电极。本发明基于无机氧化物颗粒的电极，通过在电极活性层内设置无机氧化物颗粒Ⅰ，无机氧化物颗粒Ⅰ可传导离子，如此，利用无机氧化物颗粒Ⅰ可将离子传导至电极活性层内部，能够有效提高电极活性层内的离子渗透率，并减小界面电阻。

Description

基于无机氧化物颗粒的电极及固态电池
技术领域
本发明属于储能设备技术领域，具体的为一种基于无机氧化物颗粒的电极及固态电池。
背景技术
固态电池是一种电池科技。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是，固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员，在摇椅的两端来回奔跑，在锂离子从第一电容电极到第二电容电极再到第一电容电极的运动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池的原理与之相同，只不过其电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无机氧化物颗粒的电极及固态电池，能够有效提高电极内的离子渗透率，并减小界面电阻。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种基于无机氧化物颗粒的电极，包括电极活性层，所述电极活性层内含有用于传导离子的无机氧化物颗粒Ⅰ。
进一步，所述无机氧化物颗粒Ⅰ的粒径小于等于所述电极活性层的厚度。
进一步，所述无机氧化物颗粒Ⅰ包括但不限于Li1.5Al0.5Ti1.5P3O12、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12、Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12、Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12、Li6.28Al0.24La3Zr2O12、Li6.40Ga0.20La3Zr2O12、Li0.45La0.55TiO3或LixPOyNz制成。
进一步，还包括电极集流体；所述无机氧化物颗粒Ⅰ背向所述电极集流体的一侧露出所述电极活性层；或，至少两颗所述无机氧化物颗粒Ⅰ相互接触在一起并组成无机氧化物颗粒团Ⅰ，所述无机氧化物颗粒团Ⅰ中，至少有一颗所述无机氧化物颗粒Ⅰ露出所述电极活性层。
本发明还提出了一种基于无机氧化物颗粒的固态电池，包括正极、负极和位于所述正极与负极之间的固态电解质层，所述正极和/或负极采用如上所述的基于无机氧化物颗粒的电极。
进一步，所述固态电解质层内含有无机氧化物颗粒Ⅱ。
进一步，所述无机氧化物颗粒Ⅱ的粒径小于等于所述固态电解质层的厚度。
进一步，所述无机氧化物颗粒Ⅱ包括但不限于Li1.5Al0.5Ti1.5P3O12、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12、Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12、Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12、Li6.28Al0.24La3Zr2O12、Li6.40Ga0.20La3Zr2O12、Li0.45La0.55TiO3或LixPOyNz制成。
进一步，所述无机氧化物颗粒Ⅱ的两侧均露出所述固态电解质层；或至少两颗所述无机氧化物颗粒Ⅱ相互接触在一起并组成无机氧化物颗粒团Ⅱ，所述无机氧化物颗粒团Ⅱ中，至少有两颗所述无机氧化物颗粒Ⅱ分别露出所述固态电解质层的两侧侧面。
进一步，设置在所述固态电解质层内的所述无机氧化物颗粒Ⅱ与设置在所述正极和/或负极内的所述无机氧化物颗粒Ⅰ接触在一起并实现离子传输。
本发明的有益效果在于：
本发明基于无机氧化物颗粒的电极，通过在电极活性层内设置无机氧化物颗粒Ⅰ，无机氧化物颗粒Ⅰ可传导离子，如此，利用无机氧化物颗粒Ⅰ可将离子传导至电极活性层内部，能够有效提高电极活性层内的离子渗透率，并减小界面电阻。
本发明基于无机氧化物颗粒的固态电池具有以下优点：
1)在正极和/或负极内设置无机氧化物颗粒Ⅰ，能够提高正极和/或负极内的离子渗透率、减小界面电阻；
2)在固态电解质层内设置无机氧化物颗粒Ⅱ，无机氧化物颗粒Ⅱ能够有效隔开正极和负极，如此，即可避免正极和负极接触短路，因而可以将固态电解质层做得更薄，减小内阻；
3)固态电解质层内设置的无机氧化物颗粒Ⅱ与正极、负极内设置的无机氧化物颗粒Ⅰ之间接触配合，也即无机氧化物颗粒Ⅰ与无机氧化物颗粒Ⅱ之间可形成离子传输通道，增强离子传输效率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明基于无机氧化物颗粒的固态电池实施例的结构示意图；
图2为基于无机氧化物颗粒的电极的结构示意图。
附图标记说明：
1-正极；2-负极；3-固态电解质层；4-电极活性层；5-无机氧化物颗粒Ⅰ；6-无机氧化物颗粒Ⅱ；7-电极集流体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明基于无机氧化物颗粒的固态电池实施例的结构示意图。本实施例基于无机氧化物颗粒的固态电池，包括正极1、负极2和位于正极1与负极2之间的固态电解质层3，正极1和/或负极2采用基于无机氧化物颗粒的电极制成。本实施例的正极1和负极2均采用基于无机氧化物颗粒的电极，当然，也可以仅将正极1采用基于无机氧化物颗粒的电极，以增加正极1的离子渗透率，或仅将负极2采用基于无机氧化物颗粒的电极，以增加负极2的离子渗透率。
如图2所示，本实施例基于无机氧化物颗粒的电极，包括电极活性层4，电极活性层4内含有用于传导离子的无机氧化物颗粒Ⅰ5。
进一步，无机氧化物颗粒Ⅰ5的粒径小于等于电极活性层4的厚度，本实施例的无机氧化物颗粒Ⅰ5的粒径等于电极活性层4的厚度，本实施例所有无机氧化物颗粒Ⅰ5的质量与电极活性层4的总质量之间的比值小于等于50％，以避免无机氧化物颗粒Ⅰ5过度影响电极活性层4的能量密度。
进一步，无机氧化物颗粒Ⅰ5包括但不限于Li1.5Al0.5Ti1.5P3O12、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12、Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12、Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12、Li6.28Al0.24La3Zr2O12、Li6.40Ga0.20La3Zr2O12、Li0.45La0.55TiO3或LixPOyNz制成。
进一步，固态电解质层3内含有无机氧化物颗粒Ⅱ6，且无机氧化物颗粒Ⅱ6的粒径小于等于固态电解质层3的厚度。本实施例的无机氧化物颗粒Ⅱ6的粒径等于固态电解质层3的厚度。由于无机氧化物颗粒Ⅱ6采用的陶瓷材料可用于传输离子，因而无机氧化物颗粒Ⅱ6的质量与固态电解质层3的总质量之间的比值可不做特别限定，固态电解质层3中采用的胶状的固态电解质材料一方面可用于传输离子，另一方面可填充无机氧化物颗粒Ⅱ6之间的空间，因而固态电解质层3由无机氧化物颗粒Ⅱ6以及胶状的固态电解质材料固化得到。
进一步，无机氧化物颗粒Ⅱ6包括但不限于Li1.5Al0.5Ti1.5P3O12、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12、Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12、Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12、Li6.28Al0.24La3Zr2O12、Li6.40Ga0.20La3Zr2O12、Li0.45La0.55TiO3或LixPOyNz制成。
进一步，本实施例的电极还包括电极集流体7；无机氧化物颗粒Ⅰ5背向电极集流体7的一侧露出电极活性层4；或，至少两颗无机氧化物颗粒Ⅰ5相互接触在一起并组成无机氧化物颗粒团Ⅰ，无机氧化物颗粒团Ⅰ中，至少有一颗无机氧化物颗粒Ⅰ露出电极活性层4，也即无机氧化物颗粒Ⅰ5露出电极活性层4，便于离子传导至电极活性层4内部。本实施例的无机氧化物颗粒Ⅰ5背向电极集流体7的一侧露出电极活性层4。
无机氧化物颗粒Ⅱ6的两侧均露出固态电解质层3；或至少两颗无机氧化物颗粒Ⅱ6相互接触在一起并组成无机氧化物颗粒团Ⅱ，无机氧化物颗粒团Ⅱ中，至少有两颗无机氧化物颗粒Ⅱ分别露出固态电解质层的两侧侧面。如此，离子可通过无机氧化物颗粒Ⅱ6直接在正极1和负极2之间传导，而不需要将离子在陶瓷材料与其他固态电解质材料之间转换传输，能够有效提高离子传输效率。本实施例的无机氧化物颗粒Ⅱ6的两侧均露出固态电解质层3。
进一步，设置在固态电解质层3内的无机氧化物颗粒Ⅱ6与设置在正极1和/或负极2内的无机氧化物颗粒Ⅰ5接触配合并实现离子传输。如此，正极1和负极2之间可通过无机氧化物颗粒Ⅰ5和无机氧化物颗粒Ⅱ6之间构建的离子传输通道传输离子，也可以通过其他固态电解质材料传输离子，离子传输效率更高。
本发明基于无机氧化物颗粒的固态电池，通过在电极活性层内设置无机氧化物颗粒Ⅰ，无机氧化物颗粒Ⅰ可传导离子，如此，利用无机氧化物颗粒Ⅰ可将离子传导至电极活性层内部，能够有效提高电极活性层内的离子渗透率，并减小界面电阻。
本实施例基于无机氧化物颗粒的固态电池还具有以下优点：
1)在正极和/或负极内设置无机氧化物颗粒Ⅰ，能够提高正极和/或负极内的离子渗透率、减小界面电阻；
2)在固态电解质层内设置无机氧化物颗粒Ⅱ，无机氧化物颗粒Ⅱ能够有效隔开正极和负极，如此，即可避免正极和负极接触短路，因而可以将固态电解质层做得更薄，减小内阻；
3)固态电解质层内设置的无机氧化物颗粒Ⅱ与正极、负极内设置的无机氧化物颗粒Ⅰ之间接触配合，也即无机氧化物颗粒Ⅰ与无机氧化物颗粒Ⅱ之间可形成离子传输通道，增强离子传输效率。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于无机氧化物颗粒的电极，包括电极活性层，其特征在于：所述电极活性层内含有用于传导离子的无机氧化物颗粒Ⅰ。
2.根据权利要求1所述的基于无机氧化物颗粒的电极，其特征在于：所述无机氧化物颗粒Ⅰ的粒径小于等于所述电极活性层的厚度。
3.根据权利要求1所述的基于无机氧化物颗粒的电极，其特征在于：所述无机氧化物颗粒Ⅰ包括但不限于Li1.5Al0.5Ti1.5P3O12、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12、Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12、Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12、Li6.28Al0.24La3Zr2O12、Li6.40Ga0.20La3Zr2O12、Li0.45La0.55TiO3或LixPOyNz制成。
4.根据权利要求1所述的基于无机氧化物颗粒的电极，其特征在于：还包括电极集流体；所述无机氧化物颗粒Ⅰ背向所述电极集流体的一侧露出所述电极活性层；或，至少两颗所述无机氧化物颗粒Ⅰ相互接触在一起并组成无机氧化物颗粒团Ⅰ，所述无机氧化物颗粒团Ⅰ中，至少有一颗所述无机氧化物颗粒Ⅰ露出所述电极活性层。
5.一种基于无机氧化物颗粒的固态电池，包括正极、负极和位于所述正极与负极之间的固态电解质层，其特征在于：所述正极和/或负极采用如权利要求1-4任一项所述的基于无机氧化物颗粒的电极。
6.根据权利要求5所述基于无机氧化物颗粒的固态电池，其特征在于：所述固态电解质层内含有无机氧化物颗粒Ⅱ。
7.根据权利要求5所述基于无机氧化物颗粒的固态电池，其特征在于：所述无机氧化物颗粒Ⅱ的粒径小于等于所述固态电解质层的厚度。
8.根据权利要求5所述基于无机氧化物颗粒的固态电池，其特征在于：所述无机氧化物颗粒Ⅱ包括但不限于Li1.5Al0.5Ti1.5P3O12、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12、Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12、Li6.5La3Zr1.5Nb0.5O12、Li6.28Al0.24La3Zr2O12、Li6.40Ga0.20La3Zr2O12、Li0.45La0.55TiO3或LixPOyNz制成。
9.根据权利要求5所述基于无机氧化物颗粒的固态电池，其特征在于：所述无机氧化物颗粒Ⅱ的两侧均露出所述固态电解质层；或至少两颗所述无机氧化物颗粒Ⅱ相互接触在一起并组成无机氧化物颗粒团Ⅱ，所述无机氧化物颗粒团Ⅱ中，至少有两颗所述无机氧化物颗粒Ⅱ分别露出所述固态电解质层的两侧侧面。
10.根据权利要求9所述基于无机氧化物颗粒的固态电池，其特征在于：设置在所述固态电解质层内的所述无机氧化物颗粒Ⅱ与设置在所述正极和/或负极内的所述无机氧化物颗粒Ⅰ接触在一起并实现离子传输。
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