CN115117293A - 自热型双极固态电池组 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种自热型双极固态电池组。本公开提供了一种固态电池组，其包括与被配置为在打开位置和闭合位置之间移动的一个或多个开关连通的至少一个集流体，其中打开位置对应于固态电池组的第一操作状态，并且闭合位置对应于固态电池组的第二操作状态；一个或多个电极，所述一个或多个电极设置为与所述一个或多个集流体相邻；以及一个或多个电热材料箔，所述一个或多个电热材料箔包括与至少一个集流体电连通的电阻器材料，其中在第一操作状态中，电子可在固态电池组的循环过程中流过一个或多个电热材料箔，以便启动加热模式，并且在所述第二操作状态中，电子可在所述固态电池组的循环过程中流过集流体，以便启动非加热模式。

Description

自热型双极固态电池组
技术领域
本发明涉及一种被配置为使锂离子循环的固态电池组。
背景技术
本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
电化学能量存储装置，如锂离子电池组，可以用于各种产品，包括汽车产品，如启停系统（例如，12V启停系统）、电池组辅助系统（“μBAS”）、混合动力电动车辆（“HEVs”）以及电动车辆（“EVs”）。典型的锂-离子电池组包括两个电极和电解质组件和/或隔离件。两个电极中的一个可以用作正电极或阴极，并且另一个电极可以用作负电极或阳极。锂离子电池组也可包括各种端子和封装材料。可再充电的锂离子电池组通过在负电极与正电极之间可逆地来回传递锂离子来运行。例如，锂离子可在电池组充电过程中从正电极移动到负电极，并在电池组放电时沿相反方向移动。隔离件和/或电解质可设置在负电极和正电极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子，并且与两个电极一样，可为固体形式、液体形式或固-液混合形式。在包括设置在固态电极之间的固态电解质层的固态电池组的情况下，固态电解质物理地分离固态电极，使得不需要明确的隔离件。
固态电池组具有优于包括隔离件和液体电解质的电池组的优点。这些优点可以包括较低的自我放电、较简单的热管理、对于封装需要的减少、以及在较宽的温度窗口内操作的能力。例如，固态电解质通常是非挥发性的并且不可燃的，从而允许电池在较严苛的条件下循环而不经历减少的电势或热失控，其在使用液体电解质的情况下可以潜在地发生。然而，固态电池组通常经历相对低的功率容量。例如，此类低功率容量可为由固态活性颗粒和/或固态电解质颗粒之间的有限接触或空隙空间引起的界面电阻的结果。因此，将期望开发改进功率容量以及能量密度的高性能固态电池组设计、材料和方法。
发明内容
本部分提供本公开的一般发明内容，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开涉及固态电池组（SSB），例如双极固态电池组，其包括一个或多个电热材料箔和金属泡沫材料，例如作为集流体。每个双极固态电池组包括嵌入在金属泡沫的孔内的多个固态电活性材料颗粒和多个固态电解质颗粒以及设置在金属泡沫材料的一个或多个表面上或与其相邻的一个或多个集流体箔。所述一个或多个电热材料箔可被配置成在循环过程中加热所述固态电池组。
在各个方面，本公开提供了一种被配置为循环锂离子的固态电池组。所述固态电池组可以包括一个或多个集流体，其中所述一个或多个集流体中的至少一个可与被配置为在打开位置与闭合位置之间移动的一个或多个开关连通，并且其中所述打开位置对应于固态电池组的第一操作状态，并且所述闭合位置对应于固态电池组的第二操作状态；一个或多个电极，其与所述一个或多个集流体相邻设置，其中每个电极可具有大于或等于约100μm至小于或等于约3,000μm的厚度，并且可包括多个固态电活性材料颗粒；以及一个或多个电热材料箔，所述一个或多个电热材料箔包括与一个或多个集流体中的至少一个电连通的电阻器材料，其中，在第一操作状态中，电子可在所述固态电池组的循环期间流过所述一个或多个电热材料箔，以便启动加热模式，并且在第二操作状态中，电子可在固态电池组的循环过程中流过一个或多个集流体，以便启动非加热模式。
在一个方面，一个或多个电热材料箔中的每一个可具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度。
在一个方面，电阻器材料可选自：镍、不锈钢、铜、康铜（constantan）、铬、铝、铁、钛、石墨和合金及其组合。
在一个方面，一个或多个电热材料箔中的至少一个可被模式化。模式可包括多个空隙区域。
在一个方面，多个固态电活性材料颗粒可被设置在多孔材料上或嵌入其中。
在一个方面，多孔材料可具有大于或等于约80体积%至小于或等于约95体积%的孔隙率。
在一个方面，多孔材料可具有大于或等于约2μm至小于或等于约1000μm的平均孔径。
在一个方面，多孔材料可具有大于或等于约100μm至小于或等于约4000μm的厚度。
在一个方面，多孔材料可为金属泡沫。金属泡沫可选自铝（Al）泡沫、镍（Ni）泡沫、铜（Cu）泡沫、镍-铬（Ni-Cr）泡沫、镍-锡（Ni-Sn）泡沫和钛（Ti）泡沫。
在一个方面，多孔材料可为碳纳米纤维三维泡沫、石墨烯泡沫、碳布、嵌入碳纤维的碳纳米管和石墨烯-镍泡沫中的一种。
在一个方面，一个或多个电极可包括第一电极和第二电极。第一电极可包括第一多个固态电活性材料颗粒，并且第二电极可包括第二多个固态电活性材料颗粒。
在一个方面，一个或多个集流体可包括第一集流体。第一多个固态电活性材料颗粒可被设置为与第一集流体的第一表面相邻。第二多个固态电活性材料颗粒可设置为与第一集流体的与第一表面相对的第二表面相邻。
在一个方面，第一集流体可包括第一膜和第二膜。第二膜可与第一膜平行。第一膜可限定第一集流体的第一表面，并且第二膜可限定第一集流体的第二表面。
在一个方面，第一膜可具有小于或等于约10μm的厚度，并且第二膜可具有小于或等于约10μm的厚度。
在一个方面，第一电极可进一步包括多个固态电解质颗粒。所述多个固态电解质颗粒可与第一多个固态电活性材料颗粒混合，并且也设置在多孔材料上。
在一个方面，第一多个固态电活性材料颗粒可被设置在多孔材料的第一部分上，并且第二多个固态电活性材料颗粒可设置在多孔材料的第二部分上。
在一个方面，与第一多个固态电活性材料颗粒混合的多个固态电解质颗粒可为第一多个固态电解质颗粒，并且第二电极还可包括第二多个固态电解质颗粒。第二多个固态电解质颗粒可与第二多个固态电活性材料颗粒混合并且也设置在多孔材料上。
在一个方面，第一集流体可为设置在多孔材料的第三部分上的膜，该第三部分形成在多孔材料的第一部分和第二部分之间。
在一个方面，一个或多个集流体可包括第一集流体和第二集流体。第二集流体可与第一集流体平行。一个或多个电极可包括第一电极和第二电极。第一电极可包括与第一集流体相邻设置的第一多个固态电活性材料颗粒。第二电极可包括设置为与第二集流体相邻的第二多个固态电活性材料颗粒。固态电池组还可包括设置在第一电极和第二电极之间的固态电解质层。固态电解质层可包括多个固态电解质颗粒。
在一个方面，固态电解质层可具有大于或等于约5μm至小于或等于约100μm的厚度。
在一个方面，固态电解质层可包括第一子层和第二子层。第一子层可包括第一多个固态电解质颗粒。第二子层可包括第二多个固态电解质颗粒。第一多个固态电解质颗粒和第二多个固态电解质颗粒可相同或不同。
在各个方面，本公开提供了一种被配置为使锂离子循环的固态电池组。所述固态电池组可包括第一集流体；第一电极，其具有大于或等于约100μm至小于或等于约3,000μm的厚度、与第一集流体相邻设置；与所述第一集流体并联的第二集流体，其中所述第一集流体和所述第二集流体中的至少一个与一个或多个开关连通，所述一个或多个开关被配置为使固态电池组在打开位置和闭合位置之间移动，并且其中所述打开位置对应于固态电池组的第一操作状态，并且所述闭合位置对应于固态电池组的第二操作状态；第二电极，其具有大于或等于约100μm至小于或等于约3,000μm的厚度、与所述第二集流体相邻设置；固态电解质层，所述固态电解质层设置在第一电极和第二电极之间；以及一个或多个电热材料箔，其具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且包括与第一集流体和第二集流体中的至少一个电连通的电阻器材料，其中在第一操作状态中，电子可在固态电池组的循环过程中流过一个或多个电热材料箔，以便启动加热模式，并且在第二操作状态中，电子可在固态电池组的循环过程中流过第一集流体和第二集流体中的至少一个，以便启动非加热模式。第一电极可包括设置在第一多孔材料上或嵌入其中的第一多个固态电活性材料颗粒。第二电极可包括设置在第二多孔材料上或嵌入其中的第二多个固态电活性材料颗粒。
在一个方面，第一和第二多孔材料可各自具有大于或等于约80体积%至小于或等于约95体积%的孔隙率。
在一个方面，第一和第二多孔材料可各自具有大于或等于约2μm至小于或等于约1000μm的平均孔径。
在一个方面，第一和第二多孔材料可各自具有大于或等于约100μm至小于或等于约4000μm的厚度。
在一个方面，电阻器材料可选自以下：镍、不锈钢、铜、康铜、铬、铝、铁、钛、石墨和合金及其组合。
在一个方面，一个或多个电热材料箔中的至少一个可被模式化。模式可包括多个空隙区域。
在一个方面，第一和第二集流体中的至少一个可包括第一膜和第二膜。第二膜可与第一膜平行。第一和第二膜可各自具有小于约10μm的厚度。
从本文提供的描述中，另外的应用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实例仅用于举例说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于举例说明所选实施方案的目的，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的各个方面的包括金属泡沫的示例性固态电池组的图示说明；
图2是根据本公开的各个方面的诸如包括在图1中图示说明的示例性固态电池组中的示例性金属泡沫的电子显微镜图像；
图3是根据本公开的各个方面的包括金属泡沫和电热材料箔的示例性固态电池组的图示说明；
图4包括根据本公开的各个方面的例如包括在图3中图示说明的示例固态电池组中的示例性电热材料箔的示例性模式的图示说明；
图5是根据本公开的各个方面的包括在图3图示说明的示例性固态电池组中的示例性电热材料箔的图示说明，所述示例性电热材料箔具有绝缘涂层；
图6是根据本公开的各个方面的激活电热材料箔的示例性方法，所述电热材料箔诸如包括在图3中图示说明的示例性固态电池组中的；
图7是根据本公开的各个方面的激活电热材料箔的另一示例性方法，所述电热材料箔诸如包括在图3中图示说明的示例性固态电池组中的；
图8是根据本公开的各个方面的包括金属泡沫和电热材料箔的另一示例性固态电池组的图示说明；
图9包括根据本公开的各个方面的诸如包括在图8中图示说明的示例固态电池组中的示例性电热材料箔的示例性模式的图示说明；
图10是根据本公开的各个方面的包括金属泡沫、电热材料箔和双固态电解质层的另一示例性固态电池组的图示说明；
图11是根据本公开的各个方面的包括金属泡沫、电热材料箔和双集流体的另一示例性固态电池组的图示说明；以及
图12是根据本公开的各个方面的包括局部金属泡沫和电热材料箔的另一示例性固态电池组的图示说明。
在附图的几个视图中，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
提供示例性实施方案从而使得本公开将为完全的，并使本公开将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组成、组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可表现为许多不同的形式，并且它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案，并且无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”可旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“涵盖”和“具有”是可兼的，并且因此指定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或加入。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语或可被理解成替代性地为更具限制性和局限性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。由此，对叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由此类所叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从此类实施方案中排除了实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，但是不在实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤可以包括在实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或举例说明的特定次序履行，除非明确确定以一履行次序的形式进行。还要理解的是，除非另行说明，可采用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”，“啮合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上时，其可直接在另一组件、元件或层上，啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可存在居间元件或层。相较之下，当元件被提到直接在另一元件或层上，“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释（例如“在…之间”相对“直接在…之间”，“相邻”相对“直接相邻”等）。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但除非另行说明，这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段与另一步骤、元件、组件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚表明，术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了易于描述，在本文中可使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上”、“上部”等描述如附图中所示的一个元件或特征与其他（一个或多个）元件或（一个或多个）特征的关系。空间或时间上相对的术语可旨在涵盖装置或系统在使用或操作中在附图中所示的取向之外的不同取向。
在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的轻微偏差和大致具有所提及值的实施方案以及确切具有所提及值的实施方案。除了在详细描述最后提供的工作实例中之外，本说明书（包括所附权利要求）中的（例如量或条件）参数的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“大约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“大约”。“大约”是指所述数值允许一定的轻微不精确（在一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地近似该值；几乎是）。如果在本领域中不以这种普通含义另行理解由“大约”提供的不精确性，那么本文所用的“大约”是指可由测量和使用此类参数的普通方法造成的至少偏差。例如，“大约”可包括小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%，和在某些方面任选小于或等于0.1%的偏差。
此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对这些范围给出的端点和子范围。
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。
本技术涉及固态电池组（SSB），仅作为示例，双极固态电池组，包括金属泡沫材料（例如，作为集流体）和电热材料箔（例如，作为自加热元件），以及用于形成和使用包括金属泡沫材料和电热材料箔的固态电池组的方法。
固态电池组可包括至少一种固体组分，例如，至少一个固体电极，但在某些变体中还可包括半固体或凝胶、液体或气体组分。固态电池组可具有包括多个双极电极的双极堆叠设计，其中固态电活性材料颗粒（以及任选的固态电解质颗粒）的第一混合物被设置在集流体膜的第一侧上的金属泡沫材料上或内，并且固态电活性材料颗粒（以及任选的固态电解质颗粒）的第二混合物被设置在集流体膜的与第一侧平行的第二侧上的金属泡沫材料上或内。第一混合物可包括作为固态非活性材料颗粒的阴极材料颗粒。第二混合物可包括作为固态非活性材料颗粒的阳极材料颗粒。在每种情况下，固态电解质颗粒可相同或不同。包括多个固态电解质颗粒的固态电解质层可设置在相邻电池的电极之间。电热材料箔可设置在相邻的集流体膜之间和/或电池组包的端子端处。
此类固态电池组可并入能量储存装置中，如可再充电的锂离子电池组，其可用于汽车运输应用（例如，摩托车、船、拖拉机、公共汽车、活动房屋、露营车、以及坦克）。然而，本技术也可用于其他电化学装置，作为非限制性实例，包括航空航天部件、消费品、装置、建筑物（例如，房屋、办公室、棚和仓库）、办公设备和家具、以及工业设备机械、农业或农场设备、或重型机械。在多个方面，本公开提供了一种可再充电的锂离子电池组，其展现出高温耐受性以及改进的安全性和良好的功率容量和寿命性能。
图1中图示说明了循环锂离子的一种全固态电化学电池单元（也称为“固态电池组”和/或“电池组”）20的示例性和示意性图示说明。电池组20包括负电极（即，阳极） 22、正电极（即，阴极）24和固态电解质层26，该固态电解质层26是将负电极22与正电极24物理地分开的分离层。固态电解质层26可由第一多个固态电解质颗粒30限定。第二多个固态电解质颗粒90可与负电极22中的负固态电活性颗粒50混合，并且第三多个固态电解质颗粒92可与正电极24中的正固态电活性颗粒60混合，以便形成连续的电解质网络，其可为连续的锂离子传导网络。负固态电活性颗粒50和第二多个固态电解质颗粒90可被设置在多孔材料100A上或嵌入其中。正固态电活性颗粒60和第三多个固态电解质颗粒92可被设置在多孔材料100B上或嵌入其中。
负电极集流体箔32可位于负电极22处或其附近。例如，负电极集流体箔32可设置在多孔材料100A的顶表面上。多孔材料100A可为负电极集流体箔32提供支撑，使得负电极集流体箔32可具有大于或等于约2μm至小于或等于约30μm的厚度，并且在某些方面，任选地具有大于或等于约2μm至小于或等于约10μm的厚度。正电极集流体箔32可以由铜或本领域技术人员已知的任何其它导电材料形成。
正电极集流体铂34可位于正电极24处或其附近。例如，正电极集流体箔34可设置在多孔材料100B的顶表面上。多孔材料100B可为正电极集流体箔34提供支撑，使得正电极集流体箔34可具有大于或等于约2μm至小于或等于约30μm的厚度，并且在某些方面中，任选地大于或等于约2μm至小于或等于约10μm的厚度。正电极集流体箔34可由铝或本领域技术人员已知的任何其它导电材料形成。
负电极集流体箔32和正电极集流体箔34分别将自由电子收集并移动至外部电路40和从外部电路40收集并移动自由电子（如方块箭头（block arrows）所示）。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可连接负电极22（通过负电极集流体箔32）和正电极24（通过正电极集流体箔34）。电池组20可以在放电过程中通过可逆电化学反应产生电流（由图1中箭头表示），所述可逆电化学反应在外部电路40闭合（以连接负电极22和正电极24）且负电极22具有比正电极24更低的电势时发生。负电极22和正电极24之间的化学电位差驱使通过负电极22处的反应，例如插入的锂的氧化所产生的电子通过外部电路40前往正电极24。同样在负电极22处产生的锂离子同时通过固态电解质层26传递到正电极24。电子流过外部电路40，并且锂离子穿过固态电解质层26迁移到正电极24，在此它们可被镀覆、反应或插入。流经外部电路40的电流可以被利用并引导通过负载装置42（沿箭头的方向），直到负电极22中的锂耗尽，且电池组20的容量减小。
通过将外部电源（例如充电装置）连接到电池组20逆转在电池组放电过程中发生的电化学反应，电池组20可以在任何时间被充电或重新赋能。可用于对电池组20充电的外部电源可取决于电池组20的大小、构造、以及具体的最终用途而变化。一些值得注意的和示例性的外部电源包括但不限于通过壁装电源插座连接到AC电网上的AC-DC转换器以及机动车辆交流发电机。外部电源与电池组20的连接促进正电极24处的反应，例如插入锂的非自发氧化，从而产生电子和锂离子。通过外部电路40流回负电极22的电子和穿过固态电解质层26移回负电极22的锂离子在负电极22处重新结合，并用锂为其补充以供在下一个电池组放电循环过程中消耗。这样，完整的放电事件接着完整的充电事件被认为是一个循环，其中锂离子在正电极24和负电极22之间循环。
尽管所示的实例包括如图1图示说明的单个正电极24和单个负电极22，但是本领域技术人员将认识到，当前讨论适用于各种其他配置（例如图3、8和10-12所图示说明），包括具有一个或多个阴极和一个或多个阳极的配置，以及各种集流体和集流体膜，其中电活性颗粒层设置在其一个或多个表面上或与其一个或多个表面相邻或嵌入在其一个或多个表面内。同样地，应认识到电池组20可包括各种其它组件，尽管这里未示出，但这些组件对于本领域的技术人员而言是已知的。例如，电池组20可包括外壳、垫圈、端子盖（terminalcaps）和可位于电池组20内的任何其它常规组件或材料，包括在负电极22、正电极24和/或固态电解质26层之间或周围。
电池组20的尺寸和形状可根据其所设计用于的具体应用而变化。电池组供电的车辆和手持消费电子设备是两个实例，其中电池组20将很可能被设计成不同的尺寸、容量、电压、能量和功率输出规格。如果负载装置42需要，电池组20还可与其它类似的锂离子电池或电池组串联或并联连接，以产生更大的电压输出、能量和功率。电池组20可以产生电流到负载装置42，该负载装置42可以可操作地连接到外部电路40。当电池组20放电时，负载装置42可完全或部分地由通过外部电路40的电流供电。虽然负载装置42可为任何数量的已知电动装置，但是作为非限制性实例，功率消耗负载装置的一些具体实例包括用于混合动力车辆或全电动车辆的电动机、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话和无绳电动工具或器具。负载装置42还可为发电设备，其为了存储电能的目的而对电池组20充电。
再次参照图1，固态电解质层26提供了防止在负电极22和正电极24之间的物理接触的电分离。固态电解质层26还提供了用于离子内部通过的最小电阻路径。在各个方面中，可通过第一多个固态电解质颗粒30限定固态电解质层26。例如，固态电解质26可为包括第一多个固态电解质颗粒30的层或复合材料的形式。固态电解质颗粒30可具有大于或等于约0.02μm至小于或等于约20μm，任选地大于或等于约0.1μm至小于或等于约10μm，并且在某些方面中，任选地大于或等于约0.1μm至小于或等于约1μm的平均粒径。固态电解质层26可为具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，任选地大于或等于约10μm至小于或等于约100μm的厚度，任选地约40μm的厚度，并且在某些方面中，任选地约30μm的厚度的层的形式。
固态电解质颗粒30可包括一种或多种基于硫化物的颗粒、基于氧化物的颗粒、掺杂金属的或异价取代的氧化物颗粒、基于氮化物的颗粒、基于氢化物的颗粒、基于卤化物的颗粒、以及基于硼酸盐的颗粒。
在某些变体中，基于氧化物的颗粒可包括一种或多种石榴石陶瓷、NASICON-型氧化物和钙钛矿（Perovskite）型陶瓷。例如石榴石陶瓷可选自：Li7La3Zr2O12、Li6.2Ga0.3La2.95Rb0.05Zr2O12、Li6.85La2.9Ca0.1Zr1.75Nb0.25O12、Li6.25Al0.25La3Zr2O12、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12及其组合。LISICON-型氧化物可选自以下：Li2+2xZn1-xGeO4（其中0 < x< 1）、Li14Zn(GeO4)4、Li3+x(P1−xSix)O4（其中0 < x < 1）、Li3+xGexV1-xO4（其中0＜x＜1）及其组合。NASICON-型氧化物可由LiMM'(PO4)3定义，其中M和M'独立地选自Al、Ge、Ti、Sn、Hf、Zr和La。例如，在某些变体中，NASICON-型氧化物可选自以下：Li1+xAlxGe2-x(PO4)3（LAGP）（其中0≤x≤2）、Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、 LiTi2(PO4)3、LiGeTi(PO4)3、LiGe2(PO4)3、LiHf2(PO4)3及其组合。钙钛矿-型陶瓷可选自以下：Li3.3La0.53TiO3、LiSr1.65Zr1.3Ta1.7O9、Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3（其中x=0.75y且0.60<y< 0.75）、Li3/8Sr7/16Nb3/ 4Zr1/4O3、Li3xLa(2/3-x)TiO3（其中0 < x < 0.25）及其组合。
在某些变化中，掺杂金属的或异价取代的氧化物颗粒可包括（仅举例）掺杂铝（Al）或铌（Nb）的Li7La3Zr2O12、掺杂锑（Sb）的Li7La3Zr2O12、掺杂镓（Ga）的Li7La3Zr2O12、铬（Cr）和/或钒（V）取代的LiSn2P3O12、铝（Al）取代的Li1+x+yAlxTi2-xSiYP3-yO12（其中0＜x＜2且0＜y＜3）及其组合。
在某些变体中，基于硫化物的颗粒可包括（仅举例）假二元硫化物（pseudobinarysulfide）、假三元硫化物（pseudoternary sulfide）和/或假四元硫化物（pseudoquaternary sulfide）。假二元硫化物体系的实例包括Li2S–P2S5体系（例如Li3PS4、Li7P3S11和Li9.6P3S12）、Li2S–SnS2体系（例如Li4SnS4）、Li2S–SiS2体系、Li2S–GeS2体系、Li2S–B2S3体系、Li2S–Ga2S3体系、Li2S–P2S3体系和Li2S–Al2S3体系。示例性的假三元硫化物体系包括Li2O–Li2S–P2S5体系、Li2S–P2S5–P2O5体系、Li2S–P2S5–GeS2体系（例如Li3.25Ge0.25P0.75S4和Li10GeP2S12）、Li2S–P2S5–LiX体系（其中X是F、Cl、Br和I中的一种）（例如Li6PS5Br、Li6PS5Cl、L7P2S8I和Li4PS4I）、Li2S–As2S5–SnS2体系（例如Li3.833Sn0.833As0.166S4）、Li2S–P2S5–Al2S3体系、Li2S–LiX–SiS2体系（其中X是F、Cl、和I中的一种）、0.4LiI‧0.6Li4SnS4和Li11Si2PS12。假四元硫化物体系的实例包括Li2O–Li2S–P2S5–P2O5体系、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、Li7P2.9Mn0.1S10.7I0.3和Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12。
在某些变体中，基于氮化物的颗粒可包括（仅举例）Li3N、Li7PN4、LiSi2N3及其组合；基于氢化物的颗粒可包括（仅举例）LiBH4、LiBH4–LiX（其中x = Cl、Br或I）、LiNH2、Li2NH、LiBH4–LiNH2、Li3AlH6及其组合；基于卤化物的颗粒可包括（仅举例）LiI、Li3InCl6、Li2CdCl4、Li2MgCl4、LiCdI4、Li2ZnI4、Li3Ocl、Li3YCl6、Li3YBr6及其组合；并且基于硼酸盐的颗粒可包括（仅举例）Li2B4O7、Li2O–B2O3–P2O5以及它们的组合。
在各个方面中，第一多个固态电解质颗粒30可包括选以下的一种或多种电解质材料： Li2S–P2S5体系、Li2S–P2S5–MOx体系（其中1＜X＜7）、Li2S–P2S5–MSx体系（其中1＜X＜7）、Li10GeP2S12（LGPS）、Li6PS5X（其中X是Cl、Br或I）（锂硫银锗矿，lithium argyrodite）Li7P2S8I、Li10.35Ge1.35P1.65S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4（硫代-LISICON）、 Li10SnP2S12、Li10SiP2S12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、(1-x)P2S5-xLi2S（其中0.5≤x≤0.7）、 Li3.4Si0.4P0.6S4、PLi10GeP2S11.7O0.3、Li9.6P3S12、Li7P3S11、Li9P3S9O3、Li10.35Ge1.35P1.63S12、Li9.81Sn0.81P2.19S12、Li10(Si0.5Ge0.5)P2S12、Li10(Ge0.5Sn0.5)P2S12、Li10(Si0.5Sn0.5)P2S12、Li3.833Sn0.833As0.16S4、Li7La3Zr2O12、Li6.2Ga0.3La2.95Rb0.05Zr2O12、Li6.85La2.9Ca0.1Zr1.75Nb0.25O12、Li6.25Al0.25La3Zr2O12、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12、Li2+2xZn1-xGeO4（其中0< x < 1）、Li14Zn(GeO4)4、Li3+x(P1−xSix)O4（其中0 < x < 1）、Li3+xGexV1-xO4（其中0 < x <1）、LiMM'(PO4)3（其中M和M'独立选自Al、Ge、Ti、Sn、Hf、Zr和La）、Li3.3La0.53TiO3、LiSr1.65Zr1.3Ta1.7O9、Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3（其中x=0.75y且0.60 < y < 0.75）、Li3/8Sr7/ 16Nb3/4Zr1/4O3、Li3xLa(2/3-x)TiO3（其中0 < x < 0.25）、掺杂铝(Al)或铌 (Nb)的Li7La3Zr2O12、掺杂锑(Sb)的Li7La3Zr2O12、掺杂镓(Ga)的Li7La3Zr2O12、铬(Cr)和/或钒(V)取代的LiSn2P3O12、铝(Al)取代的Li1+x+yAlxTi2-xSiYP3-yO12（其中0 < x < 2且0 < y < 3）、LiI–Li4SnS4、Li4SnS4、Li3N、Li7PN4、LiSi2N3、LiBH4、LiBH4–LiX（其中x = Cl、Br或I）、LiNH2、Li2NH、LiBH4–LiNH2、Li3AlH6、LiI、Li3InCl6、Li2CdCl4、Li2MgCl4、LiCdI4、Li2ZnI4、Li3Ocl、Li2B4O7、Li2O–B2O3–P2O5及其组合。
在某些变体中，第一多个固态电解质颗粒30可包括选自以下的一种或多种电解质材料：Li2S–P2S5体系、Li2S–P2S5–MOx体系（其中1 < x < 7）、Li2S–P2S5–MSx体系（其中1 < x <7）、Li10GeP2S12（LGPS）、Li6PS5X其中X为Cl、Br、或I）（锂硫银锗矿）、Li7P2S8I、Li10.35Ge1.35P1.65S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4（硫代-LISICON）、Li10SnP2S12、Li10SiP2S12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、(1-x)P2S5-xLi2S（其中0.5≤x≤0.7）、Li3.4Si0.4P0.6S4、PLi10GeP2S11.7O0.3、Li9.6P3S12、Li7P3S11、Li9P3S9O3、Li10.35Ge1.35P1.63S12、Li9.81Sn0.81P2.19S12、Li10(Si0.5Ge0.5)P2S12、Li10(Ge0.5Sn0.5)P2S12、Li10(Si0.5Sn0.5)P2S12、Li3.833Sn0.833As0.16S4及其组合。
虽然未示出，但本领域技术人员将认识到，在某些情况下，一种或多种粘合剂颗粒可与固态电解质颗粒30混合。例如，在某些方面，固态电解质层26可包括大于或等于约0 重量%至小于或等于约10 重量%，并且在某些方面，任选地大于或等于约0.5 重量%至小于或等于约10 重量%的一种或多种粘合剂。一种或多种聚合物粘合剂可包括（仅举例）聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）和聚丙烯酸锂（LiPAA）。
在某些情况下，固态电解质颗粒30（和任选的一种或多种粘合剂颗粒）可被少量的液体电解质润湿，例如，以改进固态电解质颗粒30之间的颗粒导电。固态电解质颗粒30可被大于或等于约0 重量%至小于或等于约40 重量%，任选地大于或等于约0.1 重量%至小于或等于约40 重量%，并且在某些方面，任选地大于或等于约5 重量%至小于或等于约10 重量%的液体电解质润湿，基于固态电解质颗粒30的重量。在某些变体中，Li7P3S11可被包括LiTFSI-三乙二醇二甲醚的离子液体电解质润湿。
负电极22可由能够用作锂离子电池组的负极端子的锂主体材料形成。例如，在某些变体中，负电极22可由多个负固态电活性颗粒50限定。在某些情况下，如所示出的，负电极22是包括负固态电活性颗粒50和第二多个固态电解质颗粒90的混合物的复合材料。例如，负电极22可包括大于或等于约30重量%至小于或等于约98重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约50重量%至小于或等于约95重量%的负固态电活性颗粒50，和大于或等于约0重量%至小于或等于约50重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约5重量%至小于或等于约20重量%的第二多个固态电解质颗粒90。第二多个固态电解质颗粒90可与第一多个固态电解质颗粒30相同或不同。
在某些变体中，负固态电活性颗粒50可为基于锂的，例如锂合金和/或锂金属。在其他变体中，负固态电活性颗粒50可为基于硅的，其包含例如硅、硅合金和/或硅-石墨混合物。在再其他变体中，负电极22可为碳质阳极，并且负固态电活性颗粒50可包含一种或多种负电活性材料，例如石墨、石墨烯、硬质碳、软质碳和碳纳米管（CNTs）。在又一变体中，负电极22可包含一种或多种负电活性材料，例如锂钛氧化物（Li4Ti5O12）；一种或多种金属氧化物，例如TiO2和/或V2O5；和金属硫化物，如FeS。因此负固态电活性颗粒50可选自以下（仅举例）：锂、石墨、石墨烯、硬质碳、软质碳、碳纳米管、硅、含有硅的合金、含有锡的合金及其组合。
在某些变体中，负电极22可进一步包括一种或多种导电添加剂和/或粘合剂材料。例如负固态电活性颗粒50和第二多个固态电解质颗粒90可任选地与一种或多种提供电子传导路径的导电材料（未显示）和/或至少一种改进负电极22的结构完整性的聚合物粘合剂材料（未显示）掺混。
例如，负固态电活性颗粒50和第二多个固态电解质离子90可任选地与粘合剂掺混，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)（PVdF-HFP）、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素（CMC）、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）和/或聚丙烯酸锂（LiPAA）粘合剂。导电材料可包括例如基于碳的材料或导电聚合物。基于碳的材料可包括例如石墨、乙炔黑（例如KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纤维和纳米管、石墨烯（如石墨烯氧化物）、炭黑（如Super P）等的颗粒。导电聚合物的实例可包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，导电添加剂和/或粘合剂材料的混合物可使用。
负电极22可包含大于或等于约0重量%至小于或等于约30重量%，并且在某些方面，任选地大于或等于约2重量%至小于或等于约10重量%的一种或多种导电添加剂，以及大于或等于约0重量%至小于或等于约20重量%，并且在某些方面任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约10重量%的一种或多种粘合剂。
负固态电活性颗粒50和固态电解质颗粒90（和/或任选的导电添加剂和/或任选的粘合剂）可设置在一个或多个层中，以限定负电极22的三维结构。负电极22（包括一个或多个层）可具有大于或等于约10μm至小于或等于约2000μm的厚度。在某些变体中，负固态电活性颗粒50和固态电解质颗粒90（和/或任选的导电添加剂和/或任选粘合剂）可设置在多孔材料或金属泡沫100A上或嵌入其中。例如，负固态电活性颗粒50和固态电解质颗粒90（和/或任选的导电添加剂和/或任选的粘合剂）可分散在金属泡沫100A的孔内。
如图2图示说明，金属泡沫100A可为孔隙率大于或等于约80体积%至小于或等于约99体积%的多孔材料，并且在某些情况下，任选地，孔隙率大于或等于约80体积%至小于或等于约95体积%。孔可具有平均直径大于或等于约2μm至小于或等于约5000μm，并且在某些方面中，任选地大于或等于约100μm至小于或等于约1000μm。
金属泡沫100A可包括铝（Al）泡沫、镍（Ni）泡沫、铜（Cu）泡沫、镍-铬（Ni-Cr）泡沫、镍-锡（Ni-Sn）泡沫和钛（Ti）泡沫中的至少一种。在某些方面，金属泡沫100A可为碳或石墨烯涂覆的金属泡沫。碳或石墨烯涂层可抑制金属泡沫100A的腐蚀。金属泡沫100A可具有大于或等于约100μm至小于或等于约3,000μm的厚度（沿x轴），并且在某些方面中，任选地大于或等于约500μm至小于或等于约2,500μm的厚度。金属泡沫100A可在电池组20内提供多个电子路径和/或减小的内电阻用于（仅举例）减小电阻损耗并提升电池组20内的功率容量。
尽管在本文通篇讨论了金属泡沫（例如，金属泡沫100A、100B），但应理解，在每种情况下，本技术也适用于具有孔隙率大于或等于约80体积%至小于或等于约99体积%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约80体积%至小于或等于约95体积%，并且平均直径大于或等于约2μm至小于或等于约5000μm，并且在某些方面中，任选地大于或等于约100μm至小于或等于约1000μm的其它多孔材料，例如碳纳米纤维三维泡沫、石墨烯泡沫、碳布、嵌入碳纤维的碳纳米管、碳纳米管三维集流体（例如，碳纳米管纸）、石墨烯-镍泡沫等。
再次参照图1，正电极24可由基于锂的或电活性材料形成，该材料可以经历插锂和脱锂同时用作电池组20的正极端子。例如，在某些变体中，正电极24可由多个正固态电活性颗粒60限定。在某些情况下，如所示出，正电极24是包括正固态电活性颗粒60和第三多个固态电解质颗粒92的混合物的复合材料。例如，正电极24可包括大于或等于约30重量%至小于或等于约98重量%，并且在某些方面，任选地大于或等于约50重量%至小于或等于约95重量%的正固态电活性颗粒60和大于或等于约0重量%至小于或等于约50重量%，并且在某些方面，任选地大于或等于约5重量%至小于或等于约20重量%的第三多个固态电解质颗粒92。
第三多个固态电解质颗粒92可与第一和/或第二多个固态电解质颗粒30、90相同或不同。在某些方面，正电极24可为层状氧化物阴极、尖晶石阴极和聚阴离子阴极中的一种。例如，在层状氧化物阴极（例如岩盐层状氧化物）的情况下，对于固态锂离子电池组，正固态电活性颗粒60可包括选自LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2（其中0≤x≤1且0≤y≤1）、LiNixMnyAl1-x-yO2（其中0 < x ≤ 1并且0 < y ≤ 1）、LiNixMn1-xO2（其中0≤x≤1）和Li1+xMO2（其中0≤x≤1）的一种或多种正电活性材料。尖晶石阴极可包括一种或多种正电活性材料，例如LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4。聚阴离子阴极可包括，例如，磷酸盐，如LiFePO4、LiVPO4、LiV2(PO4)3、Li2FePO4F、Li3Fe3(PO4)4或Li3V2(PO4)F3，用于锂离子电池组，和/或硅酸盐，如LiFeSiO4，用于锂离子电池组。在其他情况下，正电极24可包括一种或多种低电压材料，如锂金属氧化物/硫化物（如LiTiS2）和/或锂硫化物。
在各个方面中，正固态电活性颗粒60可包括选自LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2（其中0≤x≤1且0≤y≤1）、LiNixMn1-xO2（其中0≤x≤1）、Li1+xMO2（其中0≤x≤1）、LiMn2O4、LiNixMn1.5O4、LiFePO4、LiVPO4、LiV2(PO4)3、Li2FePO4F、Li3Fe3(PO4)4、Li3V2(PO4)F3、LiFeSiO4、LiTiS2及其组合的一种或多种正电活性材料。在某些方面，正固态电活性颗粒60可被涂覆（例如，被LiNbO3、Al2O3和/或Li3PO4涂覆）和/或正电活性材料可被掺杂（例如，被铝和/或镁掺杂）。
在某些变体中，正电极24还可包括一种或多种导电添加剂和/或粘合剂材料。例如，正固态电活性颗粒60和第三多个固态电解质颗粒92可任选地与提供电子传导路径的一种或多种导电材料（未示出）和/或改进正电极24的结构完整性的至少一种聚合物粘合剂材料（未示出）掺混。
例如，正固态电活性颗粒60和第三多个固态电解质颗粒92可任选地与粘合剂相掺混，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚(偏氟乙烯-共-六氟丙烯)（PVdF-HFP）、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、苯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）、和/或聚丙烯酸锂（LiPAA）粘合剂。导电材料可包括例如基于碳的材料。基于碳的材料可包括例如石墨、乙炔黑（例如KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纤维和纳米管、石墨烯（如石墨烯氧化物）、炭黑（如Super P）等的颗粒。在某些方面，导电添加剂和/或粘合剂材料的混合物可使用。
正电极24可包括大于或等于约0重量%至小于或等于约30重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约2重量%至小于或等于约10重量%的一种或多种导电添加剂；和大于或等于约0重量%至小于或等于约2重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约1重量%的一种或多种粘合剂。
正固态电活性颗粒60和固态电解质颗粒92（和/或任选的导电添加剂和/或任选的粘合剂）可设置在一个或多个层中以限定正电极24的三维结构。正电极24（包括一个或多个层）可具有大于或等于约10μm至小于或等于约2000μm的厚度。在某些变体中，正固态电活性颗粒60和固态电解质颗粒92)和/或任选的导电添加剂和/或任选的粘合剂）可设置在多孔材料或金属泡沫100B上或嵌入其内。例如，正固态电活性颗粒60和固态电解质颗粒92（和/或任选的导电添加剂和/或任选的粘合剂）可分散在金属泡沫100B的孔内。
金属泡沫100B可与金属泡沫100A相同或不同。例如，金属泡沫100B可为多孔材料，其具有孔隙率大于或等于约80体积%至小于或等于约99体积%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约80体积%至小于或等于约95体积%，其中孔具有平均直径大于或等于约2μm至小于或等于约5000μm的，并且在某些方面中，任选地大于或等于约100μm至小于或等于约1000μm的平均直径。金属泡沫100B可包括铝（Al）泡沫、镍（Ni）泡沫、铜（Cu）泡沫、镍-铬（Ni-Cr）泡沫、镍-锡（Ni-Sn）泡沫和钛（Ti）泡沫中的至少一种。在某些方面，金属泡沫100B可为碳或石墨烯涂覆的金属泡沫。金属泡沫100B可具有大于或等于约100μm至小于或等于约3,000μm的厚度（沿x轴），并且在某些方面，任选地大于或等于约500μm至小于或等于约2,500μm的厚度。
在各个方面，如图3所示，本公开提供了另一实例固态电池组320。固态电池组320可包括多个电极，例如第一双极电极302A和第二双极电极302B。星号旨在示出固态电池组320可包括附加电极，如将由本领域技术人员理解的。尽管在此通篇讨论了双极配置，但是应理解，在每种情况下，本技术也适用于其他固态配置，包括单极配置。
再次参照图3，双极电极302A、302B各自包括设置在双极集流体336的第一侧或表面332上或与其相邻的第一多个电活性材料颗粒350和设置在双极集流体336的第二侧或表面334上或与其相邻的第二多个电活性材料颗粒360。第一多个电活性材料颗粒350可为负固态电活性材料颗粒，例如以上在负固态电活性颗粒50的上下文中详细描述的。第二多个电活性材料颗粒360可为正固态电活性材料颗粒，例如以上在正固态电活性颗粒60的上下文中详细描述的，在某些配置中，如所示，第一多个固态电解质颗粒390可与第一多个电活性材料颗粒350混合或掺混，并且第二多个固态电解质颗粒392可与第二多个电活性材料颗粒360混合或掺混。电活性材料颗粒350和固态电解质颗粒390可设置在多孔泡沫材料398A上或嵌入其中。类似地，电活性材料颗粒360和固态电解质颗粒392可设置在多孔泡沫材料398B上或嵌入其中。
固态电解质层326可设置在连续的电极302A、302B之间。固态电解质层326可用作物理地分隔第一电极302A和第二电极302B的隔离件。固态电解质层326可由第三多个固态电解质颗粒330限定。固态电解质颗粒350、360、330可相同或不同。本领域技术人员还将认识到，在某些配置中，固态电解质层326可为双层固态电解质，例如在图10的上下文中详细描述的。
电池组320还包括一个或多个电热材料箔338A、338B。例如，如所示，第一电热材料箔338A可设置在电池组包320的第一端子端处，并且第二电热材料箔338B可设置在电池组包320的第二端子端处。然而，本领域技术人员将理解，一个或多个电热材料箔可设置在示例性电池组内的其它位置。例如，在某些配置中，电热材料箔可设置在各电池单元之间。在其它配置中，电热材料箔可设置在每隔一个电池单元之间。在再其它配置中，电热材料箔可设置在电池组包的一个或多个内部电池之间，例如图8中所示。
在每种情况下，一个或多个电热材料箔338A、338B可具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且在某些方面中，任选地大于或等于约20μm至小于或等于约100μm的厚度。电热材料箔338A、338B可具有多种配置和模式。例如，在某些情况下，如当电热材料箔338A、338B设置在电池组包320的端子端上时，电热材料箔338A、338B可采取图4所示的任何形状。
如图4所示，电热材料箔338A、338B可由连续片材362形成，所述连续片材具有从第一侧354延伸的第一极耳352和从第二侧358延伸的第二极耳356。第一侧354可与第二侧358平行。第一极耳352可为第一电连接点，其将电热材料箔338A、338B连接到外部电路340。该第一电连接点352可在电热材料箔338A、338B与外部电路340之间建立电连接。第二极耳356可为第二电连接点。例如，第二极耳356可为连接点，其将连接连续电热材料箔338A、338B和/或各集流体336。该第二电连接点356可在电热材料箔338A、338B和/或各集流体336之间建立电连接。
在某些情况下，一个或多个空白区域或空隙364可限定在连续片材360中。一个或多个空白区域364可采用各种配置，以便产生不同的电阻和可控制的加热能量。尽管在图4中示出了各种示例模式，但本领域技术人员将理解，设想了各种其它模式。
在每种情况下，一个或多个电热材料箔338A、338B可包括镍、不锈钢、铜、康铜（镍和铜的合金）、铬、铝、铁、钛、石墨、合金等（即，其它电阻器材料）。例如，一个或多个电热材料箔338A、338B可包括铁-铬-铝合金和/或铝-镍-铁合金。在某些配置中，如图5所示，电热材料箔338A、338B的一个或多个表面可涂覆于绝缘材料380内。例如，如所示，绝缘材料380可形成基本上包围电热材料箔338A、338B的连续涂层。绝缘材料380可选自以下：聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚酯及其组合。
一个或多个电热材料箔338A、338B中的每一个与外部电路340和可操作地连接至外部电路340的负载装置342电连通。如所示，外部电路340包括一个或多个开关382，其可以将外部电路340从打开位置（例如，电池组320的第一操作状态或加热模式）（如所示）移动到闭合位置（例如，电池组320的第二操作状态或非加热模式）（未示出）。如同电池组20，电池组320可以在放电过程中通过可逆电化学反应产生电流，所述可逆电化学反应在外部电路340闭合以连接集流体336时发生，从而允许集流体336将自由电子收集并移动到外部电路340，和从外部电路340收集并移动自由电子。在打开位置，电子转而流经一个或多个电热材料箔338A、338B，由此根据焦耳热定律（Joule’s law of heating）（例如，W = I2Rt，其中W是以焦耳计的电能，R是以欧姆计的电阻，I是以安培计的电流）产生欧姆热。例如，在打开位置，电子可流过一个或多个电热材料箔338A、338B，因为一个或多个电热材料箔338A、338B的电阻大于集流体336的电阻。因此，一个或多个电热材料箔338A、338B可提供内部加热控制，从而在厚（例如，大于约1000μm）电极的情况下改进低温或充电性能以及离子传输。
在各个方面，本公开提供了用于监测电池组（例如，图3所示的电池组320）并在打开的加热位置（例如，固态电池组的第一操作状态或加热模式）和闭合的非加热位置（例如，固态电池组的第二操作状态或非加热模式）之间切换的方法。电池组可与控制器或控制模块连通，所述控制器或控制模块被配置成从电池组收集数据（例如，温度、充电状态等）并控制电池组的一个或多个操作参数（例如，打开、关闭）。
图6图示说明了例如用于在寒冷气候中加热的示例性方法600。方法600可包括在610处开始循环和在620处测定外部温度（T）。如所示，如果温度（T）大于预定值（例如，任选地约-10℃，任选地约-20℃，并且在某些方面，任选地约-30℃），方法600可继续进行到622，其中电池组中的外部电路开关移动到或保持在闭合的非加热位置，并且停止任何加热。如果温度（T）小于预定值，则方法600可继续进行至630，在其中测定电池组的充电状态（SOC）。如果充电状态（SOC）小于预定值（x）（例如，任选地大约10%，任选地大约15%，并且在某些方面，任选地大约20%），则方法600可继续进行到632，其中外部电路开关移动到或保持在闭合的非加热位置（例如，电池组的第二操作状态或非加热模式）并且停止任何加热。如果充电状态（SOC）大于预定值（x），则方法600可继续进行到640，其中外部电路开关移动到或保持在打开的加热位置（例如，电池组的第一操作状态或加热模式）。加热可在650处继续进行预定时间（t）。例如，预定时间（t）可为约2秒，任选地约5秒，并且在某些方面，任选地约10秒。如所示，如果加热持续的时间段大于预定时间（t），则方法600将返回到620。如果加热持续的时间段小于预定时间（t），则方法600将返回到640。
图7图示说明了例如用于快速充电的另一示例性方法700。方法700可包括在710处开始循环和在720处测定充电状态。如所示，如果充电状态（SOC）小于预定值（x）（例如，任选地大约70%，任选地大约80%，并且在某些方面，任选地大约90%），则方法700可继续进行到722，其中外部电路开关移动到或保持在闭合的非加热位置（例如，电池组的第二操作状态或非加热模式），并且任何加热和充电被停止。如果充电状态（SOC）大于预定值（x），则方法700可继续进行至730，在其中测定温度（T）。如所示，如果温度（T）大于预定值（例如，任选地约45℃，任选地约50℃，并且在某些方面，任选地约55℃），方法700可继续进行至732，其中电池组中的外部电路开关移动至或保持在闭合的非加热位置（例如，电池组的第二操作状态或非加热模式）并且停止任何加热。方法700然后可返回到710。如果温度（T）小于预定值，则方法700可继续到740，其中外部电路开关移动到或保持在打开的加热位置（例如，电池组的第一操作状态或加热模式）。加热可在750处持续预定时间（t）。例如，预定时间（t）可为约20秒，任选地约60秒，并且在某些方面，任选地约120秒。如所示，如果加热持续了大于预定时间（t）的时间段，则方法700将返回到720。如果加热持续的时间段小于预定时间（t），则方法700将返回到740。
如上所述，在各个方面中，电热材料箔可设置在电池组包的一个或多个内部电池之间，例如图8所示。在各个方面中，如图8所示，本公开提供了另一示例性固态电池组820。固态电池组820可包括多个电极，例如第一双极电极802A和第二双极电极802B。星号旨在说明固态电池组820可包括附加电极，如本领域技术人员将理解的。
双极电极802A、802B各自包括设置在第一集流体836A上或与其相邻设置的第一多个电活性材料颗粒850和设置在第二集流体836B上或与其相邻设置的第二多个电活性材料颗粒360。第一和第二集流体836A、836B可相同或不同。第一多个电活性材料颗粒850可为负固态电活性材料颗粒，例如上文在负固态电活性颗粒50的上下文中详细描述的。第二多个电活性材料颗粒860可为正固态电活性材料颗粒，例如上文在正固态电活性颗粒60的上下文中详细描述的。在某些配置中，如所示出，第一多个固态电解质颗粒890可与第一多个电活性材料颗粒850混合或掺混，并且第二多个固态电解质颗粒892可与第二多个电活性材料颗粒860混合或掺混。电活性材料颗粒850和固态电解质颗粒890可设置在多孔材料898A上或嵌入其中。类似地，电活性材料颗粒860和固态电解质颗粒892可设置在多孔材料898B上或嵌入其中。
固态电解质层826可设置在连续电极802A、802B之间。固态电解质层826可用作物理地分离第一电极802A和第二电极802B的隔离件。固态电解质层826可由第三多个固态电解质颗粒830限定。电解质颗粒830、890、892可相同或不同。本领域技术人员还将认识到，在某些配置中，固态电解质层826可为双层固态电解质，例如在图10的上下文中详细描述的。
电池组820还包括一个或多个电热材料箔838。类似于图3所示的电热材料箔338A、338B，一个或多个电热材料箔838中的每一个均可提供内部加热控制，从而改进厚（例如，大于约1000μm）电极情况下的低温或充电性能以及离子传输。如图8所示，电热材料箔838可设置在第一集流体836A和第二集流体836B之间。在每种情况下，一个或多个电热材料箔838可具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且在某些方面中，任选地大于或等于约20μm至小于或等于约100μm的厚度。
电热材料箔838可具有多种配置和模型。例如，在某些情况下，例如当电热材料箔838设置在电池组包820中的内部位置时，电热材料箔838可采取图9所示的任何形状。如图所示，电热材料箔838可由连续片材862形成，该片材具有从连续片材862的一侧延伸的第一极耳852和第二极耳856。第一极耳852可为第一电连接点。第一电连接点852可在电热材料箔838与集流体836A之间建立电连接。第二极耳856可为第二电连接点。第二电连接点856可在电热材料箔838与集流体836B之间建立电连接。在某些情况下，一个或多个空白区域或空隙864可限定在连续板862中。一个或多个空白区域864可采用各种配置以产生不同的电阻和可控制的加热能量。尽管在图9中图示说明了各种示例性图案，但是本领域技术人员将理解，设想了各种其它图案。
本公开提供了图10中的另一示例性固态电池组1020。固态电池组1020可包括多个电极，例如第一双极电极1002。星号旨在说明固态电池组1020可包括附加电极，如本领域技术人员将理解的。
电极1002中的每一个包括设置在集流体1036的第一表面上或设置为与其相邻的第一多个电活性材料颗粒1050和设置在集流体1036的第二表面上或设置为与其相邻的第二多个电活性材料颗粒1060。第一多个电活性材料颗粒1050可为负固态电活性材料颗粒，诸如以上在负固态电活性颗粒50的上下文中详细描述的。第二多个电活性材料颗粒1060可为正固态电活性材料颗粒，诸如以上在正固态电活性颗粒60的上下文中详细描述的。在某些配置中，如所示的，第一多个固态电解质颗粒1090可与第一多个电活性材料颗粒1050混合或掺混，并且第二多个固态电解质颗粒1092可与第二多个电活性材料颗粒1060混合或掺混。电活性材料颗粒1050和固态电解质颗粒1090可布置在多孔材料1098A上或嵌入其中。类似地，电活性材料颗粒1060和固态电解质颗粒1092可设置在多孔材料1098B上或嵌入其中。
固态电解质层1026可设置在连续电极1002之间。固态电解质层1026可充当物理地分离电极1002的隔离件。固态电解质层1026可为具有第一子层1026A和第二子层1026B的双层固态电解质。第一子层1026A可由第三多个固态电解质颗粒1030限定。第二子层1026B可由第四多个固态电解质颗粒1052限定。第三和第四多个固态电解质颗粒1030、1052可相同或不同，并且可与第一和第二多个固态电解质颗粒1090、1092相同或不同。
多个固态电解质颗粒1020、1052、1090、1092可包括在图1的上下文中描述的那些固态电解质材料，例如，固态电解质层1026A、1026B可为紧密的无机固态电解质层。在其它情况下，固态电解质层1026A、1026B可为包括有机成分和/或无机成分的混合电解质层。
有机组分可包括一种或多种聚合物和液体电解质。一种或多种聚合物可选自聚乙二醇（PEG）、聚(环氧乙烷)（PEO）、聚(苯醚)（PPO）、聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素（CMC）、苯乙烯-丁二烯（SBR）、丙烯腈丁二烯橡胶（NBR）、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)（SBS）及其组合。液体电解质可为（仅举例）以下之一：双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）-三乙二醇二甲醚、六氟磷酸锂（LiPF6）-碳酸亚乙酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）与一种或多种添加剂（例如碳酸亚乙烯酯（VC）、碳酸氟代亚乙酯、碳酸乙烯基亚乙酯、双(草酸根合)硼酸锂）和双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）-乙腈。
无机组分可包括一种或多种基于硫化物的颗粒、基于卤化物的颗粒、基于氢化物的颗粒、基于氧化物的颗粒等，如上详细描述。无机组分也可包括一种或多种锂盐，如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）、六氟磷酸锂（LiPF6）、双(氟磺酰基)亚胺锂（LiFSI）和/或四氟硼酸锂（LiBF4）。在更进一步的变体中，无机组分可包括一种或多种氧化物陶瓷纳米颗粒，例如二氧化硅（SiO2）、二氧化铈（CeO2）、氧化铝（Al2O3）和/或二氧化锆（ZrO2）。
电池组1020还包括一个或多个电热材料箔1038。类似于图3中所示的电热材料箔338A、338B，一个或多个电热材料箔1038中的每一个可提供内部加热控制，以在厚（例如，大于约1000μm）电极的情况下改进低温或充电性能以及离子传输。如图10所示，电热材料箔1038可类似于图3设置在电池组包1020的各端处，尽管未示出，但本领域技术人员将理解，在各种情况下，电热材料箔1038可设置在示例性电池组内的其它位置。例如，在某些配置中，电热材料箔可设置在每个电池单元之间。在其它配置中，电热材料箔可设置在每隔一个电池单元之间。在再其他配置中，电热材料箔可设置在电池组包的一个或多个内部电池之间，例如图8所示。在每种情况下，一个或多个电热材料箔1038可具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10μm至小于或等于约100μm的厚度。
本公开提供了图11中的另一示例性固态电池组1120。该固态电池组1120可包括多个电极，例如第一双极电极1102。星号旨在说明固态电池组1120可包括附加电极，如本领域技术人员将理解的。
每个电极1102包括设置在集流体1136、1152的第一表面上或设置为与其相邻的第一多个电活性材料颗粒1150和设置在集流体1136、1152的第二表面上或设置为与其相邻的第二多个电活性材料颗粒1160。第一多个电活性材料颗粒1150可为负固态电活性材料颗粒，例如以上在负固态电活性颗粒50的上下文中详细描述的。第二多个电活性材料颗粒1160可为正固态电活性材料颗粒，例如以上在正固态电活性颗粒60的上下文中详细描述的。在某些配置中，如所说明的，第一多个固态电解质颗粒1190可与第一多个电活性材料颗粒1150混合或掺混，并且第二多个固态电解质颗粒1192可与第二多个电活性材料颗粒1160混合或相掺混。电活性材料颗粒1150（和任选的固态电解质颗粒1190）可布置在多孔材料1198A上或嵌入其中。类似地，电活性材料颗粒1160（和任选的固态电解质颗粒1192）可设置在多孔材料1198B上或嵌入其中。
如所示，电池组1120可包括至少一个双集流体1152，其包括第一集流体箔1172和第二集流体箔1174。第一和第二集流体箔1172、1174可设置在金属泡沫1198A和/或金属泡沫1198B的（顶）表面上。例如，第一集流体箔1172可设置在第一金属泡沫1198A上，且第二集流体箔1174可设置在第二金属泡沫1198B上。在某些情况下，第一和第二金属泡沫1198A、1198B可由连续的多孔材料限定。第一集流体箔1172可限定集流体1152的第一侧或表面，并且第二集流体1174可限定集流体1152的第二侧或表面。
第一集流体箔1172可不同于第二集流体箔1174。在某些变体中，第一集流体箔1172可为负电极集流体箔，并且第二集流体箔1174可为正电极集流体箔。在每种情况下，第一和第二集流体箔1172、1174可各自包括不锈钢、铝、镍、铁、钛、铜、锡或本领域技术人员已知的任何其它导电材料中的至少一种。第一集流体箔1172和第二集流体箔1174可各自具有厚度，使得集流体1152具有大于或等于约2μm至小于或等于约30μm的厚度。
固态电解质层1126可设置在连续的电极1102之间。固态电解质层1126可充当物理地分离电极1102的隔离件。固态电解质层1126可由第三多个固态电解质颗粒1130限定。电解质颗粒1130、1190、1192可相同或不同。本领域技术人员还将认识到，在某些配置中，固态电解质层1126可为双层固态电解质，例如在图10的上下文中详细描述的。
电池组1120还包括一个或多个电热材料箔1138。类似于图3所示的电热材料箔338A、338B，一个或多个电热材料箔1138中的可各自提供内部加热控制，从而在厚（例如，大于约1000μm）电极的情况下改进低温或充电性能以及离子传输。如图11所示，类似于图3，电热材料箔1138可设置在电池组包1120的各端处。尽管未示出，但本领域技术人员将理解，在各种情况下，电热材料箔1138可设置在示例性电池组中的其它位置。例如，在某些配置中，电热材料箔可设置在每个电池单元之间。在其它配置中，电热材料箔可设置在每隔一个电池单元之间。在再其他配置中，电热材料箔可设置在电池组包的一个或多个内部电池之间，例如图8所示。在每种情况下，一个或多个电热材料箔1138可具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且在某些方面，任选地大于或等于约10μm至小于或等于约100μm的厚度。
本发明提供了图12中的另一示例性固态电池组1220，固态电池组1220可包括多个双极电极。星号旨在说明固态电池组1220可包括附加的电池单元，如本领域技术人员将理解的。每个电池单元包括设置在集流体1236的第一表面上或与其相邻设置的第一多个电活性材料颗粒1250和设置在集流体1236的第二表面上或与其相邻设置的第二多个电活性材料颗粒1260。第一多个电活性材料颗粒1250可为负固态电活性材料颗粒，诸如以上在负固态电活性颗粒50的上下文中详细描述的。第二多个电活性材料颗粒1260可为正固态电活性材料颗粒，诸如以上在正固态电活性颗粒60的上下文中详细描述的。在某些配置中，如所示出的，第一多个固态电解质颗粒1290可与第一多个电活性材料颗粒1250混合或掺混，并且第二多个固态电解质颗粒1292可与第二多个电活性材料颗粒1260混合或掺混。
电池组1020可包括仅在电池组1220的一部分中的多孔材料1298。例如，如所示，负电极1222可包括多孔材料1298。例如，电活性材料颗粒1050（和任选的固态电解质颗粒1090）可设置在多孔材料1298上或嵌入其中。正电极1224可没有多孔材料1298。
固态电解质层1226可设置在连续电极1222、1224之间。固态电解质层1226可用作物理地分离电极1202的隔离件。固态电解质层1226可由第三多个固态电解质颗粒1230限定。电解质颗粒1230、1290、1292可相同或不同。本领域技术人员还将认识到，在某些配置中，固态电解质层1226可为双层固态电解质，例如在图10的上下文中详细描述的。
电池组1220还包括一个或多个电热材料箔1238。类似于图3所示的电热材料箔338A、338B，一个或多个电热材料箔1238可各自提供内部加热控制，从而改进厚（例如，大于约1000μm）电极的情况下的低温或充电性能以及离子传输。如图12所示，电热材料箔1238可设置在每个电池单元之间。尽管未示出，但本领域技术人员将理解，在各种情况下，电热材料箔1238可设置在示例性电池组内的其它位置。例如，在某些配置中，电热材料箔可设置在电池组的端子端之间，例如图3中所示，在其它配置中，电热材料箔可设置在每隔一个电池单元之间。在其他配置中，电热材料箔可设置在电池组包的一个或多个内部电池之间，例如图8所示。在每种情况下，一个或多个电热材料箔1238可具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且在某些方面，任选地大于或等于约10μm至小于或等于约100μm的厚度。
已经为了说明和描述的目的而提供了实施方案的上述描述。其无意于穷举的或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以在所选实施方案中使用，即使没有具体示出或描述。其也可以许多方式变化。这样的变化不应被认为是脱离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种被配置为使锂离子循环的固态电池组，所述固态电池组包括：
一个或多个集流体，其中所述一个或多个集流体中的至少一个与配置为在打开位置和闭合位置之间移动的一个或多个开关连通，其中所述打开位置对应于所述固态电池组的第一操作状态，并且所述闭合位置对应于所述固态电池组的第二操作状态；
一个或多个电极，其与所述一个或多个集流体相邻设置，每个电极具有大于或等于约100μm至小于或等于约3,000μm的厚度，并且包括多个固态电活性材料颗粒；以及
一个或多个电热材料箔，所述一个或多个电热材料箔包括电阻器材料，并且与所述一个或多个集流体中的至少一个电连通，其中在第一操作状态中，电子在固态电池组的循环过程中流过一个或多个电热材料箔，以便启动加热模式，并且在第二操作状态中，电子在固态电池组的循环过程中流过一个或多个集流体，以便启动非加热模式。
2.根据权利要求1所述的固态电池组，其中所述一个或多个电热材料箔各自具有大于或等于约5μm至小于或等于约200μm的厚度，并且
其中所述电阻器材料选自以下：镍、不锈钢、铜、康铜、铬、铝、铁、钛、石墨和合金及其组合。
3.根据权利要求1所述的固态电池组，其中所述一个或多个电热材料箔中的至少一个被模式化，所述模式包括多个空隙区域。
4.根据权利要求1所述的固态电池组，其中所述多个固态电活性材料颗粒设置为在多孔材料上或嵌入其中，所述多孔材料具有大于或等于约80体积%至小于或等于约95体积%的孔隙率、大于或等于约2μm至小于或等于约1000μm的平均孔径、以及大于或等于约100μm至小于或等于约4000μm的厚度。
5.根据权利要求4所述的固态电池组，其中所述一个或多个电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括第一多个固态电活性材料颗粒，并且所述第二电极包括第二多个固态电活性材料颗粒，
其中所述一个或多个集流体包括第一集流体，并且所述第一多个固态电活性材料颗粒设置为与所述第一集流体的第一表面相邻，并且所述第二多个固态电活性材料颗粒设置为与所述第一集流体的与所述第一表面相对的第二表面相邻。
6.根据权利要求5所述的固态电池组，其中所述第一集流体包括第一膜和与所述第一膜平行的第二膜，所述第一膜限定所述第一集流体的第一表面，并且所述第二膜限定所述第一集流体的第二表面。
7.根据权利要求5所述的固态电池组，其中所述第一多个固态电活性材料颗粒设置在多孔材料的第一部分上，并且
其中所述第二多个固态电活性材料颗粒设置在多孔材料的第二部分上。
8.根据权利要求7所述的固态电池组，其中所述第一集流体是设置在所述多孔材料的第三部分上的膜，所述多孔材料的第三部分形成在所述多孔材料的第一部分与第二部分之间。
9.根据权利要求4所述的固态电池组，其中所述一个或多个集流体包括第一集流体和与所述第一集流体平行的第二集流体，其中所述一个或多个电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括与所述第一集流体相邻设置的第一多个固态电活性材料颗粒，所述第二电极包括与所述第二集流体相邻设置的第二多个固态电活性材料颗粒；以及
其中所述固态电池组还包括固态电解质层，所述固态电解质层包括设置在所述第一电极与所述第二电极之间的多个固态电解质颗粒。
10.根据权利要求9所述的固态电池组，其中所述固态电解质层具有大于或等于约5μm至小于或等于约100μm的厚度，并且包括：
包括第一多个固态电解质颗粒的第一子层，和
包括第二多个固态电解质颗粒的第二子层，其中所述第一子层与所述第二子层相同或不同。
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