CN115315832A - 用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极 - Google Patents

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Abstract

待形成为锂离子电池的锂基固体阳极的组件。阳极由具有开放空间的纤维陶瓷或聚合物框架和具有亲锂特性的活性表面材料形成。纤维框架内的开放空间和沉积在纤维框架表面上的亲锂涂层允许固体锂离子在阳极内自由传输。在固态下，锂电池可以实现较高的容量/重量、充电较快，并且在极端处理和温度下较耐用。一种用于制造具有这样的阳极的固态锂电池的方法。

Description

用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极
本公开的背景
技术领域
本公开涉及化学，即电流产生装置。更特别地，本公开涉及电池部件的制造，具有对阳极的制造的某些改进，以提高整体电池的性能、安全性和可靠性。
背景技术
锂离子电池或Li离子电池是通常用于便携式电子设备和电动车辆的类型的可充电电池。与以前的电池技术相比，锂离子电池提供更快的充电、更大的容量和更高的功率密度，其允许在更小和更轻的封装中更大的性能。虽然锂成为电池技术中的有利元素有很多原因，但最重要的原因与它的元素结构有关。锂具有高反应性，因为它容易失去其最外层的电子，使电流容易流过电池。作为最轻的金属，锂比电池中常用的其他金属(例如铅)轻得多。此特性对于小物体诸如电话重要，而且对于需要很多电池的汽车也重要。最后，锂离子和电子容易移回正极(阴极)，允许多次再充电循环。锂离子电池技术的创新有助于使电子装置的形状因子最小化，同时提高其容量。没有近几十年见证的一些锂离子电池的进步，智能电话、智能手表、可穿戴装置和其他现代电子奢侈品就根本不可能。
常规的锂离子电池使用液体电解质。液体电解质锂离子电池中的液体电解溶液用于调节充电和放电期间的电流流动。电流“流过”阳极和阴极之间的液体电解溶液，以允许电池用户存储以及然后使用电池存储的电能。更特别地，锂离子在放电期间从负极(阳极)通过电解质移动到正极(阴极)，并在充电时返回。这些锂离子电池通常在阴极使用插层锂化合物作为材料，并且在阳极使用石墨。处于其完全锂化状态LiC6的石墨与372mAh/g的最大容量相关。
虽然液体锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应以及低自放电，但它们可具有安全危害，因为它们包含易燃电解质。如果损坏并暴露于空气或充电不正确，这些电池可导致或甚至引起爆炸和火灾。由于火灾危害而召回可拆卸锂离子电池常见且昂贵，并且若干便携式电子设备制造商甚至因锂离子火灾而被迫召回没有可拆卸电池的昂贵电子装置。由于在电动车辆(EV)中结合了液体锂离子电池，这个问题越来越受到关注。在事故期间和紧接事故后，EV的液体锂离子电池在暴露于空气中的水时可容易被点燃，从而引起重大安全问题。随着电动车辆在商业上变得越来越可行和被更广泛地采用，这个安全问题变得越来越重要来解决。
为解决液体锂离子电池的这些问题而进行的大部分研究和开发都集中在开发具有无液体阳极的电池上。处于其固态的锂具有的最大可能容量为3600mAh/g，或是LiC6的差不多十倍。然而，锂金属在其固态下也具有高反应性，并且它的析出物(plates)非常不均匀。即使在液体电解质锂离子电池中，如果析出速率超过通常将认为的低临界电流(0.5mA/cm2)，锂会成核并形成树枝状或苔藓状结构，而不是光滑或平坦析出物。这是液体锂离子电池多次溶胀、膨胀和甚至击穿的原因。在传统版本的固体锂箔阳极电池中，这个电流速率甚至更小(0.1mA/cm2)。因此，就像液体电解质锂离子电池的许多进步已经降低了树枝状或苔藓状形成物的潜能一样，如果要生产固态锂离子阳极，防止这种事件的进步甚至就更加重要。如果充电和放电速率在消费者和制造商对现代液体锂离子电池的期望的相同范围内，那么具有大得多的能量存储容量的电池将是有利的。
因此，显而易见的是，对于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的允许的改进存在公认的未满足的需求。本公开被设计以通过对部件和内部结构的各种改进来解决这种需求，这包括本文公开的阳极，同时解决了以上讨论的问题的至少一些方面。
发明内容
简而言之，在可能优选的实施方式中，本公开通过对电池的制造、构造和设计引入各种改进以适应具有固体电解质的锂离子阳极(即固态锂离子阳极)，克服了以上提及的缺点并满足了对这样的阳极的公认需求。这些通常包括但不限于单独或组合的锂离子导体、电子导体、混合离子/电子导体、亲锂涂层、一种或多种集流体和改进的焊接。通过允许固态锂离子阳极，这些改进具有将锂离子电池的能量存储容量从液体电解质形式的其理论最大值提高到其能量密度更高的固体形式的潜能。此外，这些单独和/或组合的改进有助于减少因锂离子电池的膨胀、溶胀或损坏而导致的潜在危害，诸如火灾。这些单独和/或组合的改进可以在没有降低充电速度和装置电源的牺牲情况下允许这些益处。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的一个方面可以是锂离子导体。锂离子导体可以以多种形式制造，每一种都具有相应的益处和折衷。这些形式上的变化可以更好地理解为锂离子导体的单独不同实施方式。
在第一可能优选的实施方式中，锂离子导体可以由陶瓷框架构成。陶瓷框架或骨架可用于支撑锂离子导体的锂金属。锂金属可以提供电子传导性，而固体陶瓷框架/骨架可以提供体积支撑和锂离子传导性。一种将锂金属与陶瓷框架/骨架组合和/或可操作地接合的方法可以是通过将锂金属熔体注入到处理过的陶瓷框架中。最初，可仅需要将少量锂金属注入到前电池单元组件中。在其中仅将少量注入到锂离子导体的前电池单元组件中的这样的情况下，赋予电池单元其容量的所有可逆锂都却可来自最终组件中的阴极。这可以通过高压插入阴极诸如磷酸铁锂(LFP)、锂钴氧化物(LCO)、镍/锰/钴(NMC)等和/或其各种阴极的组合而发生。如果与平坦锂箔相比，陶瓷骨架的更高表面积可以允许固体电池更高的运行速率(锂的析出/溶出(plating/stripping))。从能量密度的角度来看，对陶瓷骨架的重要要求可以是使用低密度陶瓷。建议的示例性低密度轻质陶瓷可以是Li1+x AlxTi2-xP3O12(LATP)。在具有陶瓷框架/骨架的锂离子导体的该实施方式中，可存在额外的部件、制造方法以及包括各种益处和折衷的另外变化。这些可包括对活性材料和功能材料加工类型的选择。当根据附图或图阅读时，从以下附图说明、其示例性实施方式的详细描述和权利要求中，这些区别对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
在所公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的锂导体方面的第二可能优选的实施方式中，聚合物框架或骨架可以是优选的。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的锂导体方面的聚合物骨架/框架可以提供柔性的额外益处，其中陶瓷框架/骨架可以被描述为刚性的。聚合物框架/骨架的要求可以是(a)具有高于锂金属熔点(180C)的熔点，(b)锂离子的高传导性，和(c)将锂传导材料注入到结构中，诸如具有相应锂盐(例如，双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂/LiC2F6NO4S2/LiTFSI)的其他传导聚合物或嵌入到聚合物中和/或在其表面上的陶瓷颗粒。在具有聚合物框架/骨架的锂离子导体的该实施方式中，可存在额外的部件、制造方法以及包括各种益处和折衷的另外变化。这些可包括纤维毡，其可进一步包括聚酰亚胺、芳族聚酰胺和聚酰亚胺框架。当根据附图或图阅读时，从以下附图说明、其示例性实施方式的详细描述和权利要求中，这些区别对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
在所公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的锂导体方面的第三可能优选的实施方式中，混合复合框架或骨架可以是优选的。在具有混合复合框架/骨架的锂离子导体的该实施方式中，可存在部件、制造方法以及包括各种益处和折衷的另外变化。这些可以包括纤维毡，其可以进一步包括气相二氧化硅和G4/LiTFSA、氮化硼/氮化钒掺杂、其他氮化物的掺杂等和/或其组合。当根据附图或图阅读时，从以下附图说明、其示例性实施方式的详细描述和权利要求中，这些区别对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一方面是电子导体。除了注入的锂金属之外，阳极中可还需要电子传导部件，以改进电子传导性和充电期间的均匀析出。这些材料也可在抑制锂的枝晶生长上发挥至关重要的作用。锂与其他金属的低共熔物可以提供具有塑性流动特性的更软的锂基金属阳极。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的又另一方面可以是在电池电极处引入混合离子/电子导体(MIEC)。与本公开的阳极组合，MIEC可以是一类非常有前途的固体电极材料。MIEC与固体离子导体的不同之处在于，除了离子之外，它们本身还传导电子。MEIC可最适合电极，在其中可需要电子和离子传导二者。MEIC可能无法用作电池隔膜，在其中可只需要离子传导性(和电子绝缘)。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的又另一方面可以是陶瓷和/或聚合物框架/骨架的亲锂涂层。亲锂涂层对于陶瓷或聚合物骨架的使用可以是至关重要的。由于陶瓷和/或聚合物框架/骨架在其未改进的状态下可能与锂金属没有良好的界面，因此引入具有亲锂特性的涂层的改进对于将这些类型的框架/骨架包括在用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极中可以是至关重要的。向陶瓷和/或聚合物框架/骨架中引入亲锂涂层可以进一步促进在析出期间减少锂的枝晶生长和/或促进光滑析出。陶瓷和/或聚合物框架/骨架的亲锂涂层也可以将陶瓷或聚合物框架/骨架的合适选择范围扩展到在没有亲锂涂层的情况下可另外与锂反应，从而可另外阻止某些陶瓷和/或聚合物在无涂层状态下与锂一起使用的材料。亲锂涂层有多种形式，每一种都可涉及它们自身分布和粘附到陶瓷和/或聚合物框架/涂层表面的方案。通过用于产生亲锂框架的材料的亲锂特性，或者通过添加一个或多个亲锂涂层，高能量密度锂金属基阳极可以理解为具有亲锂特性的纤维毡或聚合物毡，纤维毡或聚合物纤维毡具有一个或多个空腔，锂或其他金属可通过空腔沉积。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的又另一方面可以是用于阳极的集流体。集流体是一种电子导体，其通过外部负载将电子从阳极携带到阴极，为负载装置供电。传统上，铜箔用于阳极集流体。铜箔的使用进一步为商业石墨阳极提供支持。在用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极中，可需要开发一种新型集流体，该集流体与具有注入的锂金属的陶瓷和/或聚合物框架/骨架良好结合，其可以是用于本公开的阳极的集流体，以在电池的充电和运行期间携带电子通过负载。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的又另一方面可以是用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极、其涂层和部件以及周围的电池部件之中的融合的新颖方法。铜集流体通常可以极耳焊接(weld tabbed)在一起，以便将电子电流传送到电池单元外部的母线。如本文所公开的，将如本文所述的集流体极耳焊接到具有亲锂涂层并与固体锂金属组合的陶瓷和/或聚合物框架/骨架的开发可以进一步增强本公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极或甚至使其成为可能。
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的各个方面和特征可单独或组合提供超过传统的液体电解质锂离子电池以及现有的、可用的、实验性的、和/或提议的固态锂离子电池两者的益处。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的益处可以是它能够将阳极的能量密提高到高于目前商业石墨基阳极的能量密度。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个益处可以是它能够提供高于目前对于固态电池观察到的0.1-0.5mA/cm2并接近于高达10mA/cm2的高工作电流，这对于在小于30分钟内为电池充电可具有重要的商业意义。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是其能够提供具有亲锂界面的安全锂金属阳极结构，这可导致高循环寿命(例如，大于4000次循环)，这对于电动车辆和其他需要安装电池长寿命的耐用品也可具有商业意义。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是能够在比甚至目前可用的商业石墨基阳极(-30℃至60℃)宽得多的温度范围(例如，-60℃至150℃)内工作。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是能够在制造期间提供预锂化阳极。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是能够提供柔性阳极。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是能够通过商业石墨基阳极无法通过的针刺测试。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是阳极抵抗燃烧的能力，这是因为例如，由于用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的可能优选的实施方式的高陶瓷含量，本公开的电池中将几乎不存在易燃组分。用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的另一个特征可以是各种可扩展的工艺，从而产生可大规模生产的锂基阳极。
当根据附图或图阅读时，从先前的发明内容和随后的附图说明、其示例性实施方式的详细描述和权利要求中，用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的这些和其他特征对于本领域技术人员而言将变得更加显而易见。
附图说明
用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极将通过参考附图阅读详细描述而更好地理解，附图不一定按比例绘制，并且其中相同的附图标记表示相似的结构并在全文中是指相同的元件，并且其中：
图1是本公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极的示例性实施方式的截面透视图。
图2是现有技术电池的部件的图。
图3是电池的框图。
图4是示例性本公开的高能量密度锂金属基阳极的制造方法的流程图。
应注意，所呈现的附图仅旨在用于说明的目的，并且因此它们既不希望也不旨在将公开限制到所示构造的任何或所有确切细节，除非是它们可被认为对要求保护的公开是必不可少的。
具体实施方式
在描述本公开的如图1-4中所示的示例性实施方式时，为了清楚起见使用了特定的术语。然而，本公开并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定要素包括以类似方式操作以实现类似功能的所有技术等同物。然而，权利要求的实施方式可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。本文阐述的实例是非限制性实例，并且仅仅是其他可能实例中的实例。应注意，术语电池(battery)、电池单元(cell)、阳极、阴极和隔膜以其单数和复数形式使用，因为它们涉及本公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极，以及用于描述其他电池，包括但不限于具有液体电解质的锂离子电池。尽管本文可描述了电池的单个电池单元，但电池制造领域的技术人员将理解多个电池单元可以用于电池的设计、构造、制造和组装，并且多个电池可以布置和/或安装在完成的制成品内。虽然在整个该详细描述中始终使用纤维框架，但它也可以理解为纤维电池骨架。
现在作为实例而非限制参考图1-4，在其中说明了用于固态电池100的高能量密度锂固态阳极111的示例性实施方式。固态锂离子电池100、液体电解质电池200和电池300在本文中可以仅称为电池。高能量密度锂金属基固态阳极111、液体电解质阳极211和阳极311在本文中可以仅称为阳极。虽然构造、设计、组成、化学和组装的变化可以与阴极312相关，但在图1-4中为了清楚和一致性起见，对阴极312的任何提及都只是阴极，并且其他相关特征可以在描述中提及，因为它涉及固态电池100、液体电解质电池200和电池300。固体隔膜131、多孔隔膜231和固体隔膜131在本文中可以仅称为隔膜。固态电池100、液体电解质电池200和电池300可以通过充电器351充电并且可以放电到装置352中。如本文所述，固态电池100、液体电解质电池200和电池300可以各自具有单个电池单元或可以具有连接和/或组装在阳极311、阴极312和隔膜331的多个层中的多个电池单元。锂、锂金属、元素锂和锂离子在本文中可以互换地指代，并且本公开并非如此限于以具有的锂金属作为其电流元素的电池。其他元素可包括但不限于锌、钠、钴、镍、铅、钾、其他金属、其盐等和/或其组合。
在一种可能优选的示例性实施方式中，固态电池100可以包括以下部件：具有固体电解质112和纤维框架并且示出为具有金属离子沉积物120的固态阳极111，固体隔膜131，以及具有固态阴极集流体132的阴极312。在液体电解质锂离子电池200的实施方式中，液体电解质锂离子电池200可以包括以下部件：具有石墨阳极活性材料212和阳极集流体233的液体电解质阳极211，多孔隔膜231，以及具有液体电解质阴极集流体232的阴极312。在电池300的实施方式中，电池300可以包括以下部件和连接件：阳极311、阴极312、隔膜331、充电器351和供电装置352。
现在更特别地参考图1，在其中说明了固态电池100的实例。从顶部开始是固态阳极111，在固态阳极111的上方和下方都具有固体隔膜131。固态阳极111可由固体电解质112的一个或多个层形成，其中固体电解质112的每个层可由纤维框架形成。通常，固态阳极11可以理解为将电子释放到外部电路(见图3)并在电化学反应期间氧化的负电极或还原电极。阴极312可以理解为从外部电路获取电子(见图3)并在电化学反应期间被还原的正电极或氧化电极。在这种可能优选的实施方式中，固态阳极111可以由固体电解质112构成，其可以理解为互连纤维的框架。固态阳极111中的框架互连纤维可以具有多种特性并且可以是柔性的或刚性的。在陶瓷纤维框架的情况下，陶瓷可用于为固态阳极111和固态电池100提供结构、支撑，以及上面可以沉积锂或其他金属的表面。金属离子沉积物120处的锂金属可以为固态电池100提供电子传导性，而固体陶瓷框架/骨架可以提供体积支撑、用于金属离子沉积物120的表面层和锂离子传导性。在固态电池100的充电和放电期间，金属离子沉积物120的尺寸可以朝着固体隔膜131增大或朝着固态阳极111的中心收缩。一种将金属离子沉积物120与固体电解质112的纤维框架组合、制造和/或可操作地接合的方法可以是通过将锂金属熔体注入到处理过的陶瓷框架中。最初，可仅需要将少量锂金属注入到固态阳极111的前电池单元组件中。在其中仅将少量注入到固态阳极111的前电池单元组件中的这样的情况下，赋予电池单元其容量的大部分或甚至所有可逆锂却可来自最终组件中的阴极312。因此，在固态电池100的第一次充电期间和所有后续充电期间，可以检测或观察到金属离子沉积物120在固态阳极111的中心处或附近非常小。在固态电池100的充电过程期间中，可以检测或观察到金属离子沉积物120的尺寸向外朝向固体隔膜131增大，甚至增长到沿着固体电解质112占据固态阳极111的纤维框架内的所有空间。锂和/或其他金属的沉积可进一步通过临时使用高压插入阴极诸如磷酸铁锂(LFP)、锂钴氧化物(LCO)、镍/锰/钴(NMC)等和/或其各种阴极的组合而发生。如果与平坦锂箔相比，具有陶瓷纤维框架的固体电解质112的更高表面积可以允许固态电池100的更高的运行速率(锂的析出/溶出)。然而，平坦锂箔也可以用作金属离子沉积物120的初始形式，并且还可以沿着固态阳极111的中心熔体注入到固体电解质112中。
从能量密度的角度来看，固体电解质112的陶瓷纤维框架的重要要求可以是使用低密度陶瓷。建议的示例性低密度轻质陶瓷可以是Li1+x AlxTi2-xP3O12(LATP)。在具有包括陶瓷的固体电解质112的固态阳极111的该实施方式中，可存在额外的部件、制造方法以及包括各种益处和折衷的另外变化。这些可包括对活性材料和功能材料加工类型的选择。在固体电解质112的陶瓷版本的潜在优选的实施方式中，具有吸引特定金属的品质的涂层材料可以提供增加的益处以促进沿着内部纤维框架的光滑、一致的析出。这些可以包括具有固体电解质112的工程固态阳极111，以测量每层总厚度为约80-90μm，沿固体隔膜131的总长度和宽度为约5cm X 5cm，内部纤维框架的孔隙率百分比大于70％，具有小于0.35μm的单个和/或平均纤维直径，具有大于1mm的单个和/或平均纤维长度，具有约10nm的涂层厚度，并且具有包括氧化物、氮化物、聚合物或陶瓷的涂层材料。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的氧化物涂层材料包括铌、Al2O3+ZnO(AZO)、铝、铟、锌、铋、镁、硅、金、碘和硫的氧化物等和/或其氧化物组合。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的氮化物涂层材料包括硼、钒氮化物等及其组合。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的聚合物涂层材料包括琥珀腈(SCN)。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的陶瓷涂层材料包括闭合硼酸盐(closoborates)(CB)、锂磷氧氮化物(LiPON)等和/或其组合。通过对固体电解质112的陶瓷纤维结构使用一种或多种涂层，可以促进可不容易与锂或其他金属结合的陶瓷与锂结合，从而充当电解质，包括锂离子的固体金属可以在充电和放电期间在其上自由移动。
在用于固态电池100的固态阳极111的锂导体方面的第二可能优选的实施方式中，优选固体电解质112中的聚合物框架。固态阳极111内的固体电解质112的聚合物框架可以提供柔性的增加的益处，其中固态阳极111内的固体电解质112的先前陶瓷纤维框架可以被描述为刚性的。这可以在固态电池100的单个电池单元或层的水平上提供各种益处和折衷，而且还为安装有固态电池100的供电装置352提供各种折衷和益处。固态阳极111的聚合物框架和其中沉积的材料的要求可以是(a)具有高于锂金属熔点(180C)的熔点，(b)锂离子的非传导性，和(c)将锂传导材料注入到固体电解质112的结构中，诸如具有相应锂盐(例如，双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂/LiC2F6NO4S2/LiTFSI)的其他传导聚合物或嵌入到聚合物中和/或在其表面上的陶瓷颗粒。在具有固体电解质112的聚合物框架的固态阳极111的该实施方式中，可存在额外的部件、制造方法以及包括各种益处和折衷的另外变化。这些可以包括延伸遍及固态阳极111和固体电解质112的纤维毡，其可以进一步包括芳族聚酰胺和聚酰亚胺框架。此外，虽然并非所有用于陶瓷纤维框架的涂层都适用于聚合物或聚合物纤维框架，并且虽然并非陶瓷纤维框架的所有特性和特征都可以直接适用于聚合物或聚合物纤维框架，但有些可以。这些可以包括具有固体电解质112的工程固态阳极111，以测量每层总厚度为约80-90μm，沿固体隔膜131的总长度和宽度为约5cm X 5cm，内部纤维框架的孔隙率百分比大于70％，具有小于0.35μm的单个和/或平均纤维直径，具有大于1mm的单个和/或平均纤维长度，具有约10nm的涂层厚度，并且具有包括氧化物、氮化物、聚合物或陶瓷的涂层材料。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的氧化物涂层材料包括铌、Al2O3+ZnO(AZO)、铝、铟、锌、铋、镁、硅、金、碘和硫的氧化物等和/或其氧化物组合。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的氮化物涂层材料包括硼、钒氮化物等及其组合。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的聚合物涂层材料包括琥珀腈(SCN)。作为实例而非限制，用于固体电解质112内的纤维的陶瓷涂层材料包括闭合硼酸盐(CB)、锂磷氧氮化物(LiPON)等和/或其组合。通过对固体电解质112的陶瓷纤维结构使用一种或多种涂层，可以促进可不容易与锂或其他金属结合的陶瓷与锂结合，从而充当电解质，包括锂离子的固体金属可以在充电和放电期间在其上自由移动。
包括在固态阳极111和固体电解质112的陶瓷纤维框架或聚合物纤维框架的潜在优选的实施方式中，锂的初始沉积可由于若干原因而重要。这些可最初在金属离子沉积物120处以非常小的、几乎微不足道的量形成，但尺寸、重量和体积增加，并且甚至可占据固态阳极111和固体电解质112内的所有空的空间。这可通过各种方式来完成，尽管在固体电解质112及其纤维的表面上在固态阳极111的中心附近初始沉积金属的潜在优选工艺可以是通过锂箔的熔体注入。
此外，无论是陶瓷的还是聚合物的，纤维本身的制造都可以为固体电解质112、固态阳极111和固态电池100的结构、形成和整体特性提供多种重要的改进。这些技术在电池技术行业可具有很少或不具有已知应用，但在材料科学和非织造材料行业可具有重要应用。一种这样的工艺可以包括溶胶-凝胶工艺，其可以优选地在金属离子沉积物120的沉积之前发生。在这种化学程序中，可以形成“溶胶”(胶体溶液)，然后逐渐演变为形成包含液相和固相二者的凝胶样双相系统，其形态范围从离散颗粒到连续聚合物网络。在胶体的情况下，颗粒的体积分数可以是低的，使得可需要最初去除大量流体用于识别凝胶样特性。一种这样的流体去除方法可以是简单地允许沉降发生的时间，以及然后倒掉剩余的液体。离心也可用于加速相分离过程。去除剩余的液体(溶剂)相需要干燥过程，并可导致大量的收缩和致密化。可去除溶剂的速率最终由凝胶中孔隙率的分布确定。最终部件的最终微观结构会受在此加工阶段期间施加在结构模板上的变化的强烈影响。热处理或烧制过程通常是必要的，以便通过最终的烧结、致密化和晶粒生长促进进一步缩聚并提高机械特性和结构稳定性。与更传统的加工技术相反，使用这种方法的明显优势之一是通常在低得多的温度下实现致密化。前体溶胶可以沉积在基底上以形成膜(例如，通过浸涂、旋涂或静电纺丝)，浇铸到具有所需形状的合适容器中(例如，以获得整体陶瓷、玻璃、纤维、膜、气凝胶)或用于合成粉末(例如微球、纳米球)。已知这种技术与静电纺丝相结合产生了具有开放空腔的纸状材料，该材料可非常适合金属(即锂离子)的沉积。使用所公开的陶瓷和聚合物的各种组合物，可以进一步增强固体电解质112的这种空间填充和开放空腔特征的额外工艺可以包括共沉淀、蒸发和自组装，以及利用纳米颗粒。
在固体电解质112的陶瓷或聚合物实施方式中，具有开放空腔的纤维结构、具有亲锂涂层的纤维结构的材料可以被认为是活性材料，在其中包括固态阳极111。换言之，固态阳极111的活性材料可以是固体电解质112，它是活性材料，锂离子通过其迁移，聚集在金属离子沉积物120处。为了产生固态阳极111而制造的任何活性材料都可以加工成具有这些特性并充当固态电池100的固体电解质112的功能材料。该过程的第一阶段可以是合成纤维毡，包括物质诸如LATP、闭合硼酸盐和硫化物陶瓷。可通过降低实施异价取代(aliovalentsubstitution)所需的烧制温度来改进溶胶-凝胶或形成固体电解质112的开放空腔结构的其他工艺中的阶段。其他改进可包括通过使用熔剂添加剂(例如，Li2O、MgO、ZnO、Li3PO4、Li3BO3、B2O3、LiBO2、Al2O3、Ta、Nb、Y、Al、Si、Mg、Ca、YSZ、NiO、Fe2O3等和/或其组合)来最大化密度。为了实现固体电解质112的功能材料加工，可需要预组装固体电解质112的活性材料以获得用作固态阳极111的坚固的功能层压板、片材或毡。可以添加浆料添加剂以在快速烧结过程期间加工生层压板。这些浆料添加剂可以包括但不限于树脂、油和分散剂(例如，PAA、葡萄糖、PVP、乙二醇、油酸、超声变幅杆等和/或其组合)。使用本领域技术人员已知的传统技术烧结生材料可以是一个长的过程(>10小时)，并且可需要在高温(>1250℃)下进行。这些传统要求可需要高成本的操作，也难以按比例放大并且在烧结期间因蒸发而导致锂的不希望损失。在这些时间和温度下锂的损失可需要通过在合成期间使用额外的锂盐来对策，这仅进一步增加成本。相反地，应替代允许在开放环境中进行可扩展应用并防止锂损失或消耗的方法。所得烧结的生层压板应包含用于锂金属熔体注入的空隙，在烧结之后，其然后可在室温下发生。如上所述，却可以通过使用牺牲塑料/碳珠或通过将其静电纺丝成纤维毡来构建空隙。所得固体电解质112然后可以适合于沿着金属离子沉积物120沉积锂。
促进固体电解质112中的这些特性从而产生最佳固态阳极111的替代措施可包括购买不限于原材料的反应性烧结、电场内的烧结、微波烧结、SPS或火花等离子体、使用溶剂蒸发和盐CSP的冷烧结、以及使用大电流的快速烧结。替代地，或与开发固体电解质112的这些技术结合，可以使用牺牲珠制造多孔片材，所述牺牲珠是具有低蒸发温度的各种塑料或碳，其可以被去除和/或破坏，从而在纤维毡中留下开口，或通过静电纺丝开发陶瓷纤维毡。特别适用于固体电解质112的聚合物纤维版本的其他预期手段包括使用具有锂金属熔点(180C)的聚合物。然而，这些聚合物通常不传导锂离子，因此它们将发挥结构作用，在该结构作用下，可以将额外的锂传导材料注入到结构中，诸如其他传导聚合物(具有相应的锂盐，诸如LiTFSI)或陶瓷颗粒。例如，作为实例而非限制，包括聚酰亚胺(具有450℃的熔点)的纤维毡可用于注入熔化的锂并充当涂层。另外的实例包括芳族聚酰胺、聚酰亚胺框架。为固体电解质112提供合适形成的又另一实例可以是具有聚合物纤维和陶瓷纤维特性二者的混合复合结构。混合复合纤维毡可以包括气相二氧化硅和表面上掺杂硼/钒(或其他氮化物)的G4/LiTFSA。
对于固体电解质112的表面结构和组成而言，更重要的可以是涂层替代物，其可以单独或组合地为金属离子沉积物120的沉积、运动性和光滑析出提供额外的益处。这些可以包括CVD/PVD/PECVD和/或ALD气相沉积与AZO涂层相结合，使用I2、Li3N、Li3PO4、LLZO、Li9AlSiO8、Li3OCl、LiI:4CH3OH，或使用与锂合金良好的金属，包括但不限于铝、铟、锌、镁、硅和/或金。溶液涂层也可以用在固体电解质112上或形成固体电解质112的关键组分，其可以使用基于硫的溶液涂层方法利用例如溶解在DEGDME中的多硫化物、溶解的硫ZnO掺杂的硫银锗矿Li6PS5Br、Li2S3或Li3S4的溶液开发。聚合物涂层另外可用作固体电解质112的表面涂层，其可包括具有添加剂和盐(例如CsPF6、CsTFSI、LiNO3、LiF、CuF2)的SN/FEC，弹性体诸如SHP，以及甚至胶诸如聚多巴胺和/或聚硅氧烷。固体电解质112的这些不同涂层可提供多种益处，包括在金属离子沉积物120处和固体电解质112上析出期间减少锂的枝晶生长，扩展用于各种应用的固体电解质112组合物的可能选择范围以及防止用于构造固态阳极111的各种非常有用的材料与锂或其他金属之间的反应。
替代地，本文设想金属离子沉积物120可被放置于固体电解质112内的固态阳极111中的阳极集流体代替。这些可包括金属特别是锂可沉积在其上的箔或涂层。用于放置在固体电解质112内的固态阳极111中的阳极集流体的示例性材料可以包括但不限于氮化钒、一种或多种锂-铝合金、液态金属(包括镓、铟和锡等)和/或其组合。
现在特别地参考图2，在其中说明了液体电解质锂离子电池200的电池单元的截面视图的实例。通常，作为液体电解质锂离子电池200的传统锂离子电池可以包括：具有石墨阳极活性材料212和阳极集流体233的液体电解质阳极211，多孔隔膜231，以及具有液体电解质阴极集流体232的阴极312。具有液体电解质的锂离子电池的已知变体可以达到275Wh/kg的容量并且能够再充电的特征，但具有上述背景技术部分涵盖的严重缺陷。
如果在保持结构、锂光滑析出以及本文所述的其他考虑因素的同时实现了足够的开放空间，则固态电池100可以实现显著更高的容量，同时允许额外益处诸如耐用性、安全性、快速充电以及其他上述益处。例如，液体电解质锂离子电池200的275Wh/kg容量可以与本公开的固态电池100相比较，该固态电池具有各种形式和组合，达到635Wh/kg以上。
现在特别参考图3，在其中说明了具有阳极311、阴极312、隔膜331、充电器351和供电装置352的电池300的简单框图。当阴极312与充电器351导电接触时，与阳极311形成电路，从而为电池300充电。替代地，当阴极312与供电装置352导电接触时，与阳极311形成电路并且对供电装置351供电。充电和供电中的每一个通过阳极311和阴极312之间的任何形式的已知电化学过程发生。除了如本文所述的固态电池100的固态阳极111的各种特征、部件、制造方法和改进之外，可需要电池300的零件和特征来完全制造和使用固态电池100。此外，对电池300的零件的各种改进，如电池制造领域中已知和开发的，包括固态电池100的制造，可以进一步增加如本文所述的固态阳极111的益处。仅仅用固态阳极111代替阳极311可能是不够的，并且电池设计和制造领域的技术人员可以将固态阳极111的特征实施和调整到电池300中，以便充分利用本文的公开内容。
现在特别参考图4，在其中说明了制造固态电池100的固态阳极111的示例性方法的流程图。从第一方法步骤401开始，纤维框架形成为固态阳极111，该固态阳极是活性材料。任选地，可以在第二步骤(任选的)402组装额外的纤维框架层以形成固态阳极111，并且可以在第三步骤(任选的)403熔融纤维框架层。在第四方法步骤404，可将亲锂涂层施加到固态阳极111。在第五方法步骤405，可以将锂沉积物注入到固态阳极111以形成金属离子沉积物120。为了形成固态电池100，可以在第六方法步骤406使固态阳极111，固体隔膜131和固态阴极312彼此接触放置，然后可以使用极耳焊接来连接固态阳极111和固态阴极312。图4的公开方法的步骤可以被重排、重复和/或重新排列，因为本领域技术人员将希望实现预期效果。
那么，关于以上描述，应认识到最佳尺寸关系，包括尺寸、材料、形状、形式、位置、功能和操作方式、组装、类型阳极/阴极/电池容器、一种或多种连接的类型和用途的变化旨在被本公开所涵盖。本文预期用于固态锂离子电池(固态电池100)的高能量密度锂金属基阳极或固态阳极111以及本文所述的各种零件和部件可包括各种零件和各种零件的各种整体尺寸以及相应尺寸，包括但不限于：固态阳极111、固体电解质112、金属离子沉积物120、固体隔膜131、阴极312、阴极集流体132等和/或其组合。实际上，在固态电池100的标准操作期间，固态电池100的那些不同的零件和部件在尺寸、形状等可变化。本文对用于固态电池100的高能量密度锂金属基固态阳极111的描述提到了对电动车辆和其他电子装置的益处，但本发明不限于此。本公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极可具有以下应用：用于为其他车辆、计算机、商业、家庭、工业设施、消费和便携式电子设备、医院、工厂、仓库、政府设施、数据中心、紧急备份、航空航天、太空旅行、机器人、无人机等和/或其组合供电。本文提供的化学式、金属、原子和分子组成(“公开的式”)仅是示例性的。本领域技术人员将知道，公开的式的变化可以为公开的用于固态电池100的高能量密度锂金属基固态阳极111提供折衷，并且可以被替代以实现与本公开的用于固态锂离子电池的高能量密度锂金属基阳极相似的优点。此外，预期由于材料和制造技术的变化，包括但不限于聚合物、合金、金属、组装、极耳、焊接、大气组成等及其组合，关于电池制造可以考虑多种考虑因素。然而仍然，尽管发明人已经考虑了各种制造和组装电池的方法，以实现更大的每质量的储电容量(能量密度)、提供高工作电流、增加电池的耐用性和寿命、增加电池可以可靠工作的范围的一种或多种结果，提供更安全的电池以及更高效的生产方式，本公开不限于特定的部件、本文列举和描述的益处和/或本文列举的制造方法。
前述描述和附图包括说明性实施方式。已经如此描述了示例性实施方式，本领域技术人员应当注意，本文的公开内容仅仅是示例性的，并且可以在本公开的范围内进行各种其他替代、改编和修改。仅按一定顺序列出或编号方法的步骤并不构成对该方法的步骤顺序的任何限制。具有前述描述和相关附图中呈现的教导的益处，本公开所属领域的技术人员将想到许多修改和其他实施方式。尽管在本文中可以使用特定术语，但它们仅用于一般性和描述性意义，而不是出于限制的目的。因此，本公开不限于本文所示的特定实施方式，而是仅由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种电池，所述电池包括：
至少一个具有集流体的阴极；
至少一个阳极，所述至少一个阳极具有亲锂纤维框架；
与所述至少一个阴极和所述至少一个阳极接触的至少一个隔膜；和
设置在所述纤维框架中的熔体注入的锂箔；
其中，所述纤维框架与所述熔体注入的锂箔一起形成能够接收锂金属沉积物的固体电解质。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述亲锂纤维框架包括陶瓷纤维毡。
3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述熔体注入的锂箔在所述阳极内充当集流体。
4.根据权利要求1所述的电池，其中，所述亲锂纤维框架包括聚合物毡。
5.根据权利要求4所述的电池，其中，所述聚合物毡通过静电纺丝形成。
6.根据权利要求1所述的电池，其中，所述至少一个隔膜是固体的。
7.根据权利要求1所述的电池，其中，所述亲锂纤维框架进一步包括纤维材料，所述纤维材料具有沉积在其上的亲锂表面涂层。
8.根据权利要求7所述的电池，其中，所述亲锂表面涂层是来自涂层组的至少一种涂层，所述涂层组由氧化物、氮化物、聚合物和陶瓷组成。
9.根据权利要求8所述的电池，其中，所述氧化物是来自氧化物组的至少一种氧化物，所述氧化物组由氧化铌、Al2O3+ZnO(AZO)、氧化铝、氧化铟、氧化锌、氧化铋、氧化镁、氧化硅、氧化金、氧化碘和氧化硫组成。
10.根据权利要求7所述的电池，其中，所述亲锂纤维框架的至少70％的体积包括开放空腔，所述开放空腔能够接收来自锂离子的固体锂金属。
11.根据权利要求1所述的电池，其中，所述亲锂纤维框架由来自材料组的至少一种材料形成，所述材料组由陶瓷纤维和聚合物纤维组成。
12.根据权利要求11所述的电池，其中，所述至少一种材料包括纤维组，所述纤维组具有小于0.5μm的直径、大于1mm的长度、约10nm的亲锂涂层厚度，并且被布置成实现大于70％的孔隙率、约86μm的毡厚度和约5cm x 5cm的隔膜接触面积。
13.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电池是锂离子固态电池并且所述至少一个阳极和所述至少一个阴极不包含液体电解质。
14.根据权利要求1所述的电池，其中，所述亲锂纤维框架是固体的。
15.一种阳极，包括：
传导纤维框架；和
沉积在所述传导框架上的活性材料，所述活性材料具有亲锂特性，能够接受按质量计30％的固体锂金属。
16.一种电池，包括：
至少一个根据权利要求1所述的阳极；
至少一个阴极；和
与所述至少一个阴极和所述至少一个根据权利要求1所述的阳极接触的固体隔膜。
17.根据权利要求16所述的电池，其中，所述阳极进一步包括设置在所述活性材料中的熔体注入的锂箔。
18.根据权利要求17所述的电池，其中，所述活性材料是陶瓷纤维框架。
19.根据权利要求17所述的电池，其中，所述活性材料是聚合物纤维框架。
20.根据权利要求17所述的电池，其中，所述活性材料是来自活性材料组的至少一种活性材料，所述活性材料组由陶瓷纤维框架和聚合物纤维框架组成，所述活性材料组各自具有亲锂涂层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US12006387B1 (en) 2022-11-14 2024-06-11 Piersica, Inc. Polymer composition and methods for making same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4315975A (en) 1979-08-15 1982-02-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state lithium-iodine primary battery
CA1222543A (fr) 1984-04-11 1987-06-02 Hydro-Quebec Anodes denses d'alliages de lithium pour batteries tout solide
CA2110097C (en) * 1992-11-30 2002-07-09 Soichiro Kawakami Secondary battery
US5705293A (en) 1997-01-09 1998-01-06 Lockheed Martin Energy Research Corporation Solid state thin film battery having a high temperature lithium alloy anode
US8765303B2 (en) * 2012-04-02 2014-07-01 Nanotek Instruments, Inc. Lithium-ion cell having a high energy density and high power density
US9318774B2 (en) 2013-06-28 2016-04-19 Google Inc. Substrate for solid-state battery
US10256503B2 (en) 2014-07-11 2019-04-09 Palo Alto Research Center Incorporated High performance all solid lithium sulfur battery with fast lithium ion conduction
US11145851B2 (en) * 2015-11-11 2021-10-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Composite lithium metal anodes for lithium batteries with reduced volumetric fluctuation during cycling and dendrite suppression
WO2017104878A1 (ko) 2015-12-18 2017-06-22 주식회사 엘지화학 배터리 팩
KR101793168B1 (ko) 2016-02-03 2017-11-20 한국생산기술연구원 Llzo 고체전해질을 포함하는 전고체 리튬이차전지 및 그의 제조방법
TW201826592A (zh) 2016-08-31 2018-07-16 威廉馬歇爾萊斯大學 用於電池之陽極、陰極及隔板，以及其製造和使用方法
JP2020517049A (ja) 2017-03-29 2020-06-11 ユニバシティ オブ メリーランド カレッジ パーク 固体ハイブリッド電解質、その作製方法、およびその使用
DE102017219170A1 (de) 2017-10-25 2019-04-25 Robert Bosch Gmbh Lithiumfestkörperbatterie und Verfahren zum Herstellen einer Lithiumfestkörperbatterie
US11309535B2 (en) 2017-12-18 2022-04-19 The Hong Kong Polytechnic University Electrodes for batteries
US11024843B2 (en) 2018-01-15 2021-06-01 Ford Global Technologies, Llc Lithium titanate anode and fabrication method for solid state batteries
US11482708B2 (en) 2018-09-21 2022-10-25 Massachusetts Institute Of Technology Methods and apparatus to facilitate alkali metal transport during battery cycling, and batteries incorporating same
KR20200070725A (ko) 2018-12-10 2020-06-18 현대자동차주식회사 리튬 음극의 계면이 양호한 전고체 전지의 제조방법
US11329282B2 (en) 2019-02-26 2022-05-10 Bettergy Corp. Rechargeable batteries and methods of making same
CN111952551A (zh) 2019-05-17 2020-11-17 康宁股份有限公司 用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法

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