CN115939504A - 用于固态电池组的凝胶电解质体系 - Google Patents

用于固态电池组的凝胶电解质体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于固态电池组的凝胶电解质体系。提供了一种循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的电解质层。第一电极包括第一多个固态电活性材料颗粒和第一聚合物凝胶电解质，其中第一聚合物凝胶电解质包含第一添加剂。第二电极包括第二多个固态电活性材料颗粒和不同于第一聚合物凝胶电解质的第二聚合物凝胶电解质，其中第二聚合物凝胶电解质包含第二添加剂。电解质层包括第三聚合物凝胶电解质，该第三聚合物凝胶电解质与第一聚合物凝胶电解质和第二聚合物凝胶电解质二者不同。

Description

用于固态电池组的凝胶电解质体系
技术领域
本发明涉及一种循环锂离子的电化学电池和一种用于形成循环锂离子的电化学电池的方法。
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，可以用于多种产品，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(“HEV”)以及电动车辆(“EV”)。典型的锂-离子电池组包括两个电极以及电解质组分和/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，并且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，并且与两个电极类似，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，固态电解质物理地隔离固态电极，从而不需要不同的隔离件。
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。这些优点可以包括具有较低自放电的较长贮存期限、较简单的热管理、对包装的减少的需要、以及在较宽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易燃的，以便允许电池在更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。低功率容量可为固态电极之中和/或在电极处的界面阻力以及固态电活性颗粒和/或固态电解质颗粒之间的有限接触或空隙空间所引起的固态电解质层界面阻力的结果。因此，期望开发改善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
本部分提供了本公开的一般概述，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，例如双极型固态电池组，其包括聚合物凝胶电解质体系并表现出增强的界面接触，并且涉及用于形成所述固态电池组的方法。
在各个方面，本公开提供了一种循环锂离子的电化学电池。电化学电池可包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的电解质层。第一电极可包括第一多个固态电活性材料颗粒和第一聚合物凝胶电解质。第二电极可包括第二多个固态电活性材料颗粒和不同于第一聚合物凝胶电解质的第二聚合物凝胶电解质。电解质层可包括第三聚合物凝胶电解质，其与第一聚合物凝胶电解质和第二聚合物凝胶电解质二者都不同。
在一个方面，第一聚合物凝胶电解质可包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂；并且第二聚合物凝胶电解质可包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂。
在一个方面，第一添加剂可包含具有不饱和碳键的化合物、含硫化合物、含卤素化合物、甲基取代的乙交酯衍生物、马来酰亚胺(MI)、含有吸电子基团的化合物及其组合。
在一个方面，含有不饱和碳键的化合物可包括碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)及其组合。
在一个方面，含硫化合物可包括亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)及其组合。
在一个方面，含卤素化合物可包括碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)、及其组合。
在一个方面，第二添加剂可包括含硼化合物、含硅化合物、含磷化合物、含有苯基、噻吩苯胺基团、马来酰亚胺基团、苯胺基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团、以及噻吩基团中的至少一个的化合物、及其组合。
在一个方面，含硼化合物可包括双(草酸根合)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)、及其组合。
在一个方面，含硅化合物可包括三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)及其组合。
在一个方面，含磷化合物可包括三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)及其组合。
在一个方面，含有苯基、噻吩苯胺基团、马来酰亚胺基团、苯胺基团、苯甲醚基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团、以及噻吩基团中的至少一个的化合物可包括联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4-(4 马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)、N,N-二甲基-苯胺(DMA)、及其组合。
在一个方面，第一聚合物凝胶电解质和第二聚合物凝胶电解质各自可进一步包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%的聚合物基质。
在一个方面，第一聚合物凝胶电解质和第二聚合物凝胶电解质可各自包括独立地选自以下的聚合物基质：聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。
在一个方面，第一聚合物凝胶电解质和第二聚合物凝胶电解质各自可进一步包含大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的液体电解质。
在一个方面，第三聚合物凝胶电解质可包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%的聚合物基质，以及大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的液体电解质。
在一个方面，聚合物基质可选自：聚(丙烯腈) (PAN)、聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(乙二醇) (PEG)、聚碳酸亚乙酯(PEC)、聚(三亚甲基碳酸酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯) (PPC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、及其组合。
在一个方面，电解质层可为由第三聚合物凝胶电解质限定的自支撑膜。所述自支撑膜可具有大于或等于约5μm至小于或等于约1,000μm的厚度。
在一个方面，电解质层可进一步包含大于0重量%至小于或等于约80重量%的多个固态电解质颗粒。
在一个方面，电化学电池还可包括设置在第一电极的暴露表面上或附近并与电解质层平行的第一双极型集流体；设置在第二电极的暴露表面上或附近，并且与电解质层平行的第二双极型集流体；以及一个或多个聚合物阻隔件，其耦合至第一双极型集流体和第二双极型集流体并在第一双极型集流体和第二双极型集流体之间延伸。
在各个方面，本公开提供了一种循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的电解质层。第一电极可包括第一多个固态电活性材料颗粒和第一聚合物凝胶电解质。第一聚合物凝胶电解质可包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂、大于或等于约0.1重量%至小于或等于约15重量%的第一聚合物基质和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第一液体电解质。第二电极可包括第二多个固态电活性材料颗粒和第二聚合物凝胶电解质。第二聚合物凝胶电解质可包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂、大于或等于约0.1重量%至小于或等于约15重量%的第二聚合物基质和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第二液体电解质。电解质层可包含第三聚合物凝胶电解质。第三聚合物凝胶电解质可包含大于或等于约10重量%至小于或等于约50重量%的第三聚合物基质和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第三液体电解质。
在一个方面，第一液体电解质、第二液体电解质和第三液体电解质是相同的或不同的。
在一个方面，第一聚合物基质和第二聚合物基质可独立地选自：聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。
在一个方面，第三聚合物基质可选自：聚(丙烯腈) (PAN)、聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(乙二醇) (PEG)、聚碳酸亚乙酯(PEC)、聚(三亚甲基碳酸酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯)(PPC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、及其组合。
在一个方面，第一添加剂可选自：碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)、及其组合。
在一个方面，第二添加剂可选自：双(草酸根合)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)、三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)、联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4- (4马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)、N,N-二甲基-苯胺(DMA)及其组合。
在各个方面，本公开提供了一种用于形成循环锂离子的电化学电池的方法。该方法可包括制备第一凝胶辅助电极，制备第二凝胶辅助电极，以及制备包含第三前体液体的电解质层。制备该第一凝胶辅助电极可包括使第一前体电极与第一前体液体接触(该第一前体液体包含第一溶剂和第一添加剂)，并且去除该第一溶剂以形成第一凝胶辅助电极。制备第二凝胶辅助电极可包括使第二前体电极与第二前体液体接触(该第二前体液体包括第二溶剂和第二添加剂)，并且去除该第二溶剂以形成第二凝胶辅助电极。第一前体液体可不同于第二和第三前体液体。第二前体液体可不同于第一和第三前体液体。方法可进一步包括将第一凝胶辅助电极、第二凝胶辅助电极以及电解质层进行堆叠以形成电化学电池，其中电解质层设置在第一凝胶辅助电极与第二凝胶辅助电极之间。
在一个方面，第一添加剂可选自：碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)、及其组合。
在一个方面，第二添加剂可选自：双(草酸根合)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)、三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)、联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4- (4马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)、N,N-二甲基-苯胺(DMA)及其组合。
本发明公开了以下实施方案：
1. 一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含第一多个固态电活性材料颗粒和第一聚合物凝胶电解质；
第二电极，其包含第二多个固态电活性材料颗粒和不同于所述第一聚合物凝胶电解质的第二聚合物凝胶电解质；和
电解质层，所述电解质层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述电解质层包含第三聚合物凝胶电解质，所述第三聚合物凝胶电解质与所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质两者都不同。
2. 根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂，并且
第二聚合物凝胶电解质包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂。
3. 根据实施方案2所述的电化学电池，其中所述第一添加剂包含具有不饱和碳键的化合物、含硫化合物、含卤素化合物、甲基取代的乙交酯衍生物、马来酰亚胺(MI)、含有吸电子基团的化合物、及其组合。
4. 根据实施方案3所述的电化学电池，其中所述含不饱和碳键的化合物包括碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)及其组合；
含硫化合物包括亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)及其组合；和
含卤素化合物包括碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)、及其组合。
5. 根据实施方案2所述的电化学电池，其中所述第二添加剂包含含硼化合物、含硅化合物、含磷化合物、含有苯基、噻吩苯胺基团、马来酰亚胺基团、苯胺基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团、以及噻吩基团中的至少一个的化合物、及其组合。
6. 根据实施方案5所述的电化学电池，其中所述含硼化合物包括双(草酸根合)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)、及其组合；
所述含硅化合物包括三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)及其组合；
所述含磷化合物包括三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)及其组合；和
含有苯基、噻吩苯胺基团、马来酰亚胺基团、苯胺基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团和噻吩基团中的至少一个的化合物包括联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4-(4 马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)、N,N-二甲基-苯胺(DMA)及其组合。
7. 根据实施方案2所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质各自还包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%的聚合物基质。
8. 根据实施方案7所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质各自包含独立地选自以下的聚合物基质：聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。
9. 根据实施方案2所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质各自还包含大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的液体电解质。
10. 根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述第三聚合物凝胶电解质包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%的聚合物基质，和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的液体电解质。
11. 根据实施方案10所述的电化学电池，其中所述聚合物基质选自：聚(丙烯腈)(PAN)、聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(乙二醇) (PEG)、聚碳酸亚乙酯(PEC)、聚(三亚甲基碳酸酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯) (PPC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、及其组合。
12. 根据实施方案10所述的电化学电池，其中所述电解质层是由所述第三聚合物凝胶电解质限定的自支撑膜，其中所述自支撑膜具有大于或等于约5μm至小于或等于约1,000μm的厚度。
13. 根据实施方案10所述的电化学电池，其中所述电解质层还包含大于0重量%至小于或等于约80重量%的多个固态电解质颗粒。
14. 根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述电化学电池还包括：
第一双极型集流体，其设置在所述第一电极的暴露表面上或附近，并且与所述电解质层平行；
第二双极型集流体，其设置在所述第二电极的暴露表面上或附近，并且与所述电解质层平行；和
一个或多个聚合物阻隔件，其耦合至所述第一双极型集流体和所述第二双极型集流体并且在所述第一双极型集流体和所述第二双极型集流体之间延伸。
15. 一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含第一多个固态电活性材料颗粒和第一聚合物凝胶电解质，所述第一聚合物凝胶电解质包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂、大于或等于约0.1重量%至小于或等于约15重量%的第一聚合物基质、以及大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第一液体电解质；
第二电极，其包含第二多个固态电活性材料颗粒和第二聚合物凝胶电解质，所述第二聚合物凝胶电解质包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂、大于或等于约0.1重量%至小于或等于约15重量%的第二聚合物基质、以及大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第二液体电解质；和
设置在所述第一电极和所述第二电极之间的电解质层，所述电解质层包含第三聚合物凝胶电解质，所述第三聚合物凝胶电解质包含大于或等于约10重量%至小于或等于约50重量%的第三聚合物基质和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第三液体电解质。
16. 根据实施方案15所述的电化学电池，其中所述第一液体电解质、所述第二液体电解质和所述第三液体电解质相同或不同。
17.根据实施方案15所述的电化学电池，其中所述第一聚合物基质和所述第二聚合物基质独立地选自：聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合；并且
第三聚合物基质选自：聚(丙烯腈) (PAN)、聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(乙二醇)(PEG)、聚碳酸亚乙酯(PEC)、聚(三亚甲基碳酸酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯) (PPC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、及其组合。
18. 根据实施方案15所述的电化学电池，其中所述第一添加剂选自：碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)、及其组合；并且
第二添加剂选自：双(草酸根合)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)、三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)、联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4- (4马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)、N,N-二甲基-苯胺(DMA)及其组合。
19. 一种用于形成循环锂离子的电化学电池的方法，所述方法包括：
制备第一凝胶辅助电极，其中制备第一凝胶辅助电极包括使第一前体电极与包含第一溶剂和第一添加剂的第一前体液体接触，并且去除该第一溶剂以形成第一凝胶辅助电极；
制备第二凝胶辅助电极，其中制备第二凝胶辅助电极包括使第二前体电极与包含第二溶剂和第二添加剂的第二前体液体接触，并且去除第二溶剂以形成第二凝胶辅助电极；
制备包含第三前体液体的电解质层，其中第一前体液体不同于第二和第三前体液体，并且第二前体液体不同于第一和第三前体液体；并且
堆叠第一凝胶辅助电极、第二凝胶辅助电极和电解质层以形成电化学电池，其中电解质层设置在第一凝胶辅助电极和第二凝胶辅助电极之间。
20. 根据实施方案19所述的方法，其中所述第一添加剂选自：碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)、及其组合；并且
第二添加剂选自：双(草酸根合)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)、三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)、联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2' -双[4- (4马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)、N,N-二甲基-苯胺(DMA)及其组合。
进一步的应用领域将由本文提供的描述而变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实例仅用于说明的目的，而不是意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而非所有可能实施方式的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
图1A是根据本公开的各个方面的示例固态电池组的图示；
图1B是根据本公开的各个方面的具有聚合物凝胶电解质体系的示例固态电池组；
图2是根据本公开的各个方面的具有聚合物凝胶电解质体系的另一示例固态电池组；
图3是根据本公开的各个方面的具有聚合物凝胶电解质体系的另一示例固态电池组；
图4是示出根据本公开的各个方面的用于制造包括聚合物凝胶电解质体系的电池组的示例性方法的流程图；
图5A是示出根据本公开的各个方面制备的示例电池组电池的循环性能的图示；
图5B是示出根据本公开的各个方面制备的示例电池组电池的放电的图示；以及
图5C是示出根据本公开的各个方面制备的示例电池组电池的倍率测试的图示。
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它（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实施方案。
本技术涉及固态电池组(SSB)(仅作为示例，涉及双极型固态电池组)以及形成和使用该双固态电池组的方法。固态电池组可包括至少一个固体组件，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型电极的双极型堆叠体设计，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的第一侧上，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的与第一侧平行的第二侧上。第一混合物可包含作为固体态电活性材料颗粒的正电极或阴极材料颗粒。第二混合物可包含作为固态电活性材料颗粒的负电极或阳极材料颗粒。在每种情况下，固态电解质颗粒可相同或不同。
此类固态电池组可并入到能量储存装置中，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、移动房屋、露营车、以及坦克)。然而，本技术也可用于其它电化学装置，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。在各个方面，本公开提供了一种可再充电的锂离子电池组，该可再充电的锂离子电池组展现出高温耐受性、以及改进的安全性和优越的功率容量与寿命性能。
图1A和1B中示出循环锂离子的固态电化学电池单元(也称为“固态电池组”和/或“电池组”) 20的示例性和示意性说明。电池组20包括负电极(即阳极) 22、正电极(即阴极)24和占据限定在两个或更多个电极之间的空间的电解质层26。该电解质层26是一个固态或半固态隔离层，该固态或半固态隔离层将负电极22与正电极24物理地隔离。电解质层26可包括第一多个固态电解质颗粒30。第二多个固态电解质颗粒90可与负电极22中的负极固态电活性颗粒50混合，并且第三多个固态电解质颗粒92可与正电极24中的正极固态电活性颗粒60混合，从而形成连续的电解质网络，其可为连续的锂离子传导网络。
第一双极型集流体32可位于或靠近负电极22处。第二双极型集流体34可位于或靠近正电极24处。第一和第二双极型集流体32、34可相同或不同。例如，第一和第二双极型集流体32、34可各自具有大于或等于约2μm至小于或等于约30μm的厚度。第一和第二双极型集流体32、34可各自是金属箔，所述金属箔包括不锈钢、铝、镍、铁、钛、铜、锡、其合金，或者本领域技术人员已知的任何其它导电材料中的至少一种。
在某些变体中，第一双极型集流体34和/或第二双极型集流体34可为包覆箔，例如，其中集流体32、34的一侧(例如，第一侧或第二侧)包含一种金属(例如，第一金属)，并且集流体232的另一侧(例如，第一侧或第二侧的另一侧)包括另一种金属(例如，第二金属)。包覆的箔可包含，仅作为举例，铝-铜(Al-Cu)、镍-铜(Ni-Cu)、不锈钢-铜(SS-Cu)、铝-镍(Al-Ni)、铝-不锈钢(Al-SS)、以及镍-不锈钢(Ni-SS)。在某些变体中，第一双极型集流体232A和/或第二双极型集流体232B可为预涂覆的，例如石墨烯或碳涂覆的铝集流体。
在每种情况下，第一双极型集流体32和第二双极型集流体34别收集自由电子并将其移动到外部电路40和从外部电路40收集自由电子并将其移动(如方框箭头所示)。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可连接负电极22 (通过第一双极型集流体32)和正电极24 (通过第二双极型集流体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(图1A和1B中箭头所示)，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低的电势时发生。负电极22和正电极24之间的化学势差驱使负电极22处的反应(例如嵌入锂的氧化)所产生的电子通过外部电路40前往正电极24。也在负极22处产生的锂离子同时通过电解质层26转移前往正电极24。电子流过外部电路40，并且锂离子穿过电解质层26迁移到正电极24，在此它们可被镀覆、反应或嵌入。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以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的尺寸、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的连接促进了在正电极24处的反应，例如，所嵌入的锂的非自发氧化，从而产生电子和锂离子。通过外部电路40流回负电极22的电子和移动穿过电解质层26流回负电极22的锂离子在负电极22处重新结合，并为其补充用于在下一个电池组放电循环过程中消耗的锂。因此，完整放电事件然后完整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，本教导适用于各种其它配置，包括具有一个或多个阴极和一个或多个阳极的那些，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附近、或嵌入在其一个或多个表面内。同样，应当认识到，电池组20可包括各种其它组件，尽管这里没有描述，但是所述其它组件对于本领域技术人员是已知的。例如，电池组20可包括壳体、垫圈、端子盖、以及可位于电池组20内(包括在负电极22、正电极24和/或固态电解质层26之间或周围)的任何其它常规组件或材料。
在许多配置中，负电极集流体32、负电极22、电解质层26、正电极24和正电极集流体34中的每一个被制备为相对薄的层(例如，厚度从几微米到毫米或更小)并且以串联布置连接的层进行组装，以提供合适的电能、电池组电压和功率封装，例如，以产生串联连接的基本电池核心(“SECC”)。在各种其它情况下，电池组20可进一步包括并联连接的电极22、24以提供例如合适的电能、电池组电压、以及功率，从而产生平行连接的基本电池核心(“PECC”)。
电池组20的尺寸和形状可根据其所设计用于的特定应用而变化。电池组供电的车辆和手持式消费电子设备是两个实例，其中电池组20将最可能被设计成不同尺寸、容量、电压、能量和功率输出的规格。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、以及功率。电池组20可以产生到负载装置42的电流，该负载装置42可以操作连接到外部电路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的电流功能。虽然负载装置42可为任何数量的已知的电动装置，但是，作为非限制性实例，功率消耗负载装置的几个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、以及无线动力工具或器具。负载装置42还可为以存储电能为目的而对电池组20充电的电力-产生装置。
重新参考图1A和1B，固态电解质层26提供了电隔离，以防止负电极22与正电极24之间的物理接触。固态电解质层26还提供用于离子内部通过的最小化电阻路径。在各个方面中，固态电解质层26可由第一多个固态电解质颗粒30限定。例如，固态电解质层26可为包含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、任选地大于或等于约10μm至小于或等于约100μm、任选地约40μm、并且在某些方面任选地约30μm的厚度的层的形式。固态电解质层26可具有在固态电解质颗粒30之间的大于0体积%至小于或等于约50体积%，任选地大于或等于约1体积%至小于或等于约40体积%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约2体积%至小于或等于约20体积%的颗粒间孔隙率80。
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、非活性氧化物颗粒、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、LISICON-型氧化物、NASICON-型氧化物和钙钛矿型陶瓷。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：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以及La。例如，在某些变体中，NASICON-型氧化物可选自：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：Li3.3La0.53TiO3、LiSr1.65Zr1.3Ta1.7O9、Li2x-ySr1- xTayZr1-yO3 (其中x=0.75y并且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。
在某些变体中，掺杂金属或异价取代的氧化物颗粒可包括，仅作为举例，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，仅作为举例，伪二元硫化物、伪三元硫化物和/或伪四元硫化物。伪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。示例性的伪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、Br和I中的一种)、0.4LiI 0.6Li4SnS4和Li11Si2PS12。伪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，非活性氧化物颗粒可包括，仅作为举例，SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2及其组合；基于氮化物的颗粒可包括，仅作为举例，Li3N、Li7PN4、LiSi2N3及其组合；基于氢化物的颗粒可包括，仅作为举例，LiBH4、LiBH4-LiX (其中x = Cl、Br或I)、LiNH2、Li2NH、LiBH4-LiNH2、Li3AlH6及其组合；仅作为举例，基于卤化物的颗粒可包括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，仅作为举例，Li2B4O7、Li2O-B2O3-P2O5及其组合。
在各个方面中，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是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、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'独立地选自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是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可包含大于或等于约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。仅作为示例，一种或多种聚合物粘合剂可包括聚偏二氟乙烯(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)。
负电极22可由能够用作锂离子电池组的负电极端子的锂基质材料形成。负电极22可为具有大于或等于约5μm至小于或等于约400μm的厚度的层的形式，并且在某些方面中，任选地为具有大于或等于约10μm至小于或等于约300μm的厚度的层的形式。在某些变体中，负电极22可由多个负极固态电活性颗粒50所限定。负极固态电活性颗粒50可具有大于或等于约0.01μm至小于或等于约50μm的平均粒径，且在某些方面中，任选地具有大于或等于约1μm至小于或等于约20μm的平均粒径。
在某些情况下，如所示的，负电极22可为包含负极固态电活性颗粒50与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可包含大于或等于约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%的负极固态电活性颗粒50以及大于或等于约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。负电极22可具有在负极固态电活性颗粒50和/或固态电解质颗粒90之间的大于或等于约0体积%至小于或等于50体积%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约2体积%至小于或等于约20体积%的颗粒间孔隙率82。
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，负极固态电活性颗粒50可包括一种或多种碳质负极电活性材料，如石墨、石墨烯、硬碳、软碳、以及碳纳米管(CNT)。在其它变体中，负极固态电活性颗粒50可为基于硅的，包括例如硅合金和/或硅-石墨混合物。在再其它变体中，负电极22可包含锂合金或锂金属。在又另外的变体中，负电极22可包括一种或多种负极电活性材料，如锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、金属氧化物(例如，TiO2和/或V2O5)、金属硫化物(例如，FeS)、过渡金属(例如，锡(Sn))、以及其它接受锂的材料。因此，负极固态电活性颗粒50可选自，仅作为举例，锂、石墨、石墨烯、硬碳、软碳、碳纳米管、硅、含硅合金、含锡合金及其任何组合。
在某些变体中，负电极22还包括一种或多种导电添加剂和/或粘合剂材料。例如，负极固态电活性颗粒50 (和/或第二多个固态电解质颗粒90)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/或改进负电极22的结构完整性的至少一种聚合物粘合剂材料(未示出)掺杂。
例如，负极固态电活性颗粒50 (和/或第二多个固态电解质颗粒90)可任选地与粘合剂掺杂，所述粘合剂如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物(SEBS)、聚乙二醇(PEO)、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（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(如超级P，Super P)等等的颗粒。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。在某些方面，可使用导电添加剂和/或粘合剂材料的混合物。
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20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10重量%的一种或多种粘结剂。
正电极24可由基于锂的或电活性的材料形成，该材料可以经受锂的嵌入和脱嵌同时用作电池组20的正极端子。正电极24可为具有大于或等于约5μm至小于或等于约400μm的厚度的层的形式，并且在某些方面中，任选地为具有大于或等于约10μm至小于或等于约300μm的厚度的层的形式。在某些变体中，正电极24可由多个正极固态电活性颗粒60限定。这些正极固态电活性颗粒60可具有大于或等于约0.01μm至小于或等于约50μm的平均粒径，并且在某些方面中，任选地大于或等于约1μm至小于或等于约20μm的平均粒径。
在某些情况下，如所示的，正电极24是包括正极固态电活性颗粒60与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可包含大于或等于约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%的正极固态电活性颗粒60以及大于或等于约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%的第三多个固态电解质颗粒92。正电极24可具有在正极固态电活性颗粒60和/或固态电解质颗粒92之间的大于或等于约0体积%至小于或等于50%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约2体积%至小于或等于约20重量%的颗粒间孔隙率84。
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。
在某些变体中，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，正极固态电活性颗粒60可包括选自LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2(其中0≤x≤1并且0≤y≤1)、LiNixMnyAl1-x-yO2(其中0＜x≤1并且0＜y≤1)、LiNixMn1-xO2(其中0≤x≤1)、以及Li1+ xMO2(其中0≤x≤1)的一种或多种正极电活性材料用于固态锂离子电池组。尖晶石阴极可包括一种或多种正极电活性材料，例如LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4。聚阴离子阴极可包括例如磷酸盐，如用于锂离子电池组的LiFePO4、LiVPO4、LiV2(PO4)3、Li2FePO4F、Li3Fe3(PO4)4、或Li3V2(PO4)F3，和/或硅酸盐，如用于锂离子电池组的LiFeSiO4。以这种方式，在各个方面中，正极固态电活性颗粒60可包括选自以下的一种或多种正极电活性材料：LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2(其中0≤x≤1并且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、及其组合。在某些方面中，正极固态电活性颗粒60可被涂覆(例如，通过LiNbO3和/或Al2O3)和/或正极电活性材料可被掺杂(例如，通过铝和/或镁)。
在其它变体中，正电极24包括低压阴极材料(例如，＜3.0V)。例如，正极固态电活性颗粒60可包括锂化金属氧化物、锂金属硫化物(例如，LiTiS2)、硫化锂、硫、等等。
在每种情况下，正电极24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，正极固态电活性颗粒60 (和/或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)掺杂。
例如，正极固态电活性颗粒60 (和/或第三多个固态电解质颗粒92)可任选地与粘合剂掺杂，所述粘合剂如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物(SEBS)、聚乙二醇(PEO)、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（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(如超级P，Super P)等等的颗粒。导电聚合物的实例可包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。在某些方面，可使用导电添加剂和/或粘合剂材料的混合物。
正电极24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20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10重量%的一种或多种粘结剂。
如图1A中所示的，固态电活性颗粒50、60和/或固态电解质颗粒30、90、92之间的直接接触可远低于在可比较的非固态电池组中的液体电解质与固态电活性颗粒之间的接触。例如，生坯形式的电池组20可具有大于或等于约10体积%至小于或等于约40体积%的总固态电解质颗粒间孔隙率。在某些变体中，聚合物凝胶电解质(例如，半固体电解质)可设置在固态电池组内，以便在固态电解质颗粒和/或固态活性材料颗粒之间润湿界面和/或填充空隙空间。然而，聚合物凝胶电解质通常不具有足够的电化学稳定性以同时匹配阳极和阴极二者的要求。因此，聚合物凝胶电解质的电化学分解可在阳极和阴极中的一个或两者处连续发生，导致固态电解质颗粒与固态电活性颗粒之间的界面接触损失。
在各个方面，本公开提供了一种聚合物凝胶电解质体系，其包括第一聚合物凝胶电解质、第二聚合物凝胶电解质和第三聚合物凝胶电解质。例如，如图1B所示，电池组20可包括第一聚合物凝胶电解质182、第二聚合物凝胶电解质180和第三聚合物凝胶电解质184。
第一聚合物凝胶电解质182可在负电极22中在负极固态电活性颗粒50和/或固态电解质颗粒90之间填充空隙或润湿界面。例如，负电极22可包含大于或等于约0.5重量%至小于或等于约30重量%的第一聚合物凝胶电解质182，并且包含第一聚合物凝胶电解质182的负电极22可具有大于或等于约0.5体积%至小于或等于约30体积%的颗粒间孔隙率。第一聚合物凝胶电解质182可为柔软且高弹性的凝胶电解质。第一聚合物凝胶电解质182可为不可流动的，例如，在25℃下具有大于或等于约10,000厘泊的粘度。
在各个方面，第一聚合物凝胶电解质182包含第一聚合物基质、第一液体电解质和第一添加剂或阳极添加剂。例如，第一聚合物凝胶电解质182可包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约80重量%，任选地大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%，任选地大于或等于约0.1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0.1重量%至小于或等于约15重量%的第一聚合物基质；大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10重量%至小于或等于约70重量%的第一液体电解质；和大于0重量%至小于或等于约15重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂。在各个方面，第一聚合物凝胶电解质182中的第一聚合物基质的量小于或等于约15重量%，并且第一聚合物凝胶电解质182中的第一聚合物基质的量小于第二聚合物凝胶电解质180中的第二聚合物基质的量。第一聚合物凝胶电解质182中的第一聚合物基质的量可与第三聚合物凝胶电解质184中的第三聚合物基质的量相同或不同。
第一聚合物基质可包括，例如，聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。
第一液体电解质可包括锂盐和溶剂。锂盐可包括，例如，六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、环二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺锂(LiBETI)、双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)及其组合。
在某些方面，溶剂溶解锂盐以实现良好的锂离子传导性，同时表现出低蒸气压(例如，在25℃下小于约10 mmHg)以匹配制造方法。溶剂可包括例如碳酸酯溶剂(如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甘油酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸1,2-亚丁酯等)、内酯(如ɣ-丁内酯、δ-戊内酯等)、腈类(如琥珀腈、戊二腈、己二腈等)、砜(如四亚甲基砜、乙基甲基砜、乙烯基砜、苯基砜、4-氟苯基砜、苄基砜等)、醚(如三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚，G3)、四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚、G4)、1,3-二甲氧基丙烷、1,4-二噁烷等)、磷酸酯(如磷酸三乙酯、磷酸三甲酯等)、包含离子液体阳离子(如1-乙基-3-甲基咪唑鎓离子([Emim]+)、1-丙基-1-甲基哌啶鎓离子([PP13]+、1-丁基-1-甲基哌啶鎓离子([PP14]+)、1-甲基-1-乙基吡咯烷鎓离子([Pyr12]+)、1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr13]+)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr14]+)等)和离子液体阴离子(如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰基)亚胺(FS)等)的离子液体，及其组合。
第一添加剂或阳极添加剂可被选择以促进在负电极22的一个或多个表面上或附近形成坚固且薄的固体-电解质界面(SEI)层，例如在负电极22的与电解质层26相对的表面上。在各个方面，第一添加剂可包括例如含有不饱和碳键的化合物(例如碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)等)、含硫化合物(例如亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)等)、含卤素化合物(如碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)等)、甲基取代的乙交酯衍生物、马来酰亚胺(MI)添加剂、含有吸电子基团的添加剂或化合物、及其组合。
第二聚合物凝胶电解质180可填充在电解质层26中的固态电解质颗粒30之间的空隙。例如，电解质层26可包含大于或等于约0.5重量%至小于或等于约99重量%的第二聚合物凝胶电解质180。在某些变体中，第二聚合物凝胶电解质180不同于第一聚合物凝胶电解质182。
第二聚合物凝胶电解质180可具有高锂离子传导性和低电子传导性。与第一聚合物凝胶电解质182类似，第二聚合物凝胶电解质180可为不可流动，例如，在25℃下具有大于或等于约10,000厘泊的粘度。第二聚合物凝胶电解质180可具有大于或等于约0.1 MPa的拉伸强度。
在各个方面，第二聚合物凝胶电解质180包含第二聚合物基质和第二液体电解质。例如，第二聚合物凝胶电解质180可包含大于或等于约0.1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10重量%至小于或等于约50重量%的第二聚合物基质；和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第二液体电解质。在各个方面，第二聚合物凝胶电解质180中的第二聚合物基质的量大于或等于约10重量%，并且第二聚合物凝胶电解质180中的第二聚合物基质的量可大于第一聚合物凝胶电解质182中的第一聚合物基质的量和第三聚合物凝胶电解质184中的第二聚合物基质的量。
第二聚合物基质可包括例如基于腈的固体聚合物电解质(例如，聚(丙烯腈)(PAN)等)、聚醚(例如，聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(乙二醇) (PEG)等)、基于聚酯的固体聚合物(例如，聚碳酸亚乙酯(PEC)、聚(三亚甲基碳酸酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯) (PPC)等)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)及其组合。
第二液体电解质可包括锂盐和溶剂(例如，大于0 mol/L至小于或等于约3 mol/L)。锂盐可包括，如双-三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双(草酸)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiODFB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)及其组合。溶剂可包括，例如，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、γ-丁内酯(GBL)、磷酸四乙酯(TEP)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)及其组合。
第三聚合物凝胶电解质184可填充正电极24中在正极固态电活性颗粒60和/或固态电解质颗粒92之间的空隙。例如，正电极24可包含大于或等于约0.5重量%至小于或等于约30重量%的第三聚合物凝胶电解质184，并且包括第三聚合物凝胶电解质184的正电极24可具有大于或等于约0.5体积%至小于或等于约30体积%的颗粒间孔隙率。第三聚合物凝胶电解质184不同于第一聚合物凝胶电解质182和第二聚合物凝胶电解质180。
与第一聚合物凝胶电解质182类似，第三聚合物凝胶电解质184可为柔软且高弹性的凝胶电解质。然而，第三聚合物凝胶电解质184在高电势范围内也可为热力学稳定的。与第一和第二聚合物凝胶电解质182、180类似，第三聚合物凝胶电解质184可为不可流动，例如，具有大于或等于约10,000厘泊的粘度。
在各个方面，第三聚合物凝胶电解质184包括第三聚合物基质、第三液体电解质和第二添加剂或阴极添加剂。例如，第三聚合物凝胶电解质184可包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约80重量%，任选地大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%，任选地大于或等于约0.1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0.1重量%至小于或等于约15重量%的第三聚合物基质；大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10重量%至小于或等于约70重量%的第三液体电解质；和大于0重量%至小于或等于约10重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂。在各个方面，第三聚合物凝胶电解质184中的第三聚合物基质的量小于或等于约15重量%，并且第三聚合物凝胶电解质184的量小于第二聚合物凝胶电解质180中的第二聚合物基质的量。第三聚合物凝胶电解质184中的第三聚合物基质的量可与第一聚合物凝胶电解质182中的第一聚合物基质的量相同或不同。
第三聚合物基质可与第一聚合物基质相同或不同。例如，第三聚合物基质可包括聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。
与第一液体电解质类似，第三液体电解质包含锂盐和溶剂。第三液体电解质可与第一液体电解质相同或不同。例如，锂盐可包括六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、环二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺锂(LiBETI)、双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)及其组合。
溶剂可包括例如碳酸酯溶剂(如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甘油酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸1,2-亚丁酯等)、内酯(如ɣ-丁内酯、δ-戊内酯等)、腈类(如琥珀腈、戊二腈、己二腈等)、砜(如四亚甲基砜、乙基甲基砜、乙烯基砜、苯基砜、4-氟苯基砜、苄基砜等)、醚(如三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚，G3)、四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚、G4)、1,3-二甲氧基丙烷、1,4-二噁烷等)、磷酸酯(如磷酸三乙酯、磷酸三甲酯等)、包含离子液体阳离子(如1-乙基-3-甲基咪唑鎓离子([Emim]+)、1-丙基-1-甲基哌啶鎓离子([PP13]+、1-丁基-1-甲基哌啶鎓离子([PP14]+)、1-甲基-1-乙基吡咯烷鎓离子([Pyr12]+)、1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr13]+)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr14]+)等)和离子液体阴离子(如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰基)亚胺(FS)等)的离子液体，及其组合。
可选择第二添加剂或阴极添加剂以在高温(例如，＞45℃)下钝化正电极24并减少金属溶解。例如，第二添加剂可在一种或多种溶剂之前氧化，以覆盖电极的一个或多个表面，从而限制或防止电解质的氧化分解。在各个方面，第二添加剂可包括，例如，含硼化合物(如，双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)等)、含硅化合物(如，三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)等)、含磷化合物(如，三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)等)、含有苯基、噻吩苯胺基团和/或马来酰亚胺基团的化合物(如，联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4- (4 马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)等)、含有苯胺基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团和/或噻吩基团的化合物(如，N,N-二甲基-苯胺(DMA))及其组合。
图2示出另一个循环锂离子的固态电化学电池单元200的示例性和示意性图示。与电池组20类似，电池组220包括负电极(即阳极) 222、位于或靠近负电极222的第一侧的第一双极型集流体232、正电极(即阴极) 224、位于或靠近正电极224的第一侧的第二双极型集流体234、以及设置在负电极222的第二侧和正电极224的第二侧之间的电解质层226。
如图2所示，负电极222可包括与任选的第一多个固态电解质颗粒290混合的多个负极固态电活性颗粒250。负电极222可进一步包括第一聚合物凝胶电解质282，其填充负电极222中在负极固态电活性颗粒250和/或固态电解质颗粒290之间的空隙。与上述第一聚合物凝胶电解质180类似，第一聚合物凝胶电解质282可为柔软且高弹性凝胶电解质，其包括第一聚合物基质、第一液体电解质和第一添加剂或阳极添加剂。
电解质层226可为将负电极222与正电极224物理地隔离的隔离层。电解质层226可为由第二聚合物凝胶电解质限定的自支撑膜280。自支撑膜280可具有大于或等于约5μm至小于或等于约1,000μm的厚度，并且在某些方面中，任选地具有大于或等于约2μm至小于或等于约100μm的厚度。类似于上述第二聚合物凝胶电解质180，第二聚合物凝胶电解质280可为包含第二聚合物基质和第二液体电解质的高锂离子传导性和低电子传导性的电解质。
正电极224可包含与任选的第二多个固态电解质颗粒292混合的多个正极固态电活性颗粒260。正电极224可进一步包含第三聚合物凝胶电解质284，其填充正电极224中在正极固态电活性颗粒260和/或固态电解质颗粒292之间的空隙。与上述第三聚合物凝胶电解质184类似，第三聚合物凝胶电解质284可为柔软且高弹性的凝胶电解质，其包含第三聚合物基质、第三液体电解质和第二添加剂或阴极添加剂。
图3示出另一个循环锂离子的固态电化学电池单元300的示例性与示意性图示。与电池组20和/或电池组220类似，电池组300包括负电极(即阳极) 322、位于或靠近负电极322的第一侧的第一双极型集流体332、正电极(即阴极) 324、位于或靠近正电极324的第一侧的第二双极型集流体334、以及设置在负电极322的第二侧和正电极324的第二侧之间的电解质层326。
如图3所示，负电极322可包含与任选的第一多个固态电解质颗粒390混合的多个负极固态电活性颗粒350。负电极322还可包含第一聚合物凝胶电解质382，其填充负电极322中在负极固态电活性颗粒350和/或固态电解质颗粒390之间的空隙。与上述第一聚合物凝胶电解质180类似，第一聚合物凝胶电解质382可为柔软且高弹性的凝胶电解质，其包含第一聚合物基质、第一液体电解质和第一添加剂或阳极添加剂。
电解质层326可为将负电极322与正电极324物理地隔离的隔离层。类似于电解质层26，电解质层326可由第二多个固态电解质颗粒330限定，并且第二聚合物凝胶电解质380可填充电解质326中的在固态电解质颗粒330之间的空隙。尽管未示出，但在其它变体中，类似于电解质层226，电解质层326可为由第二聚合物凝胶电解质380限定的自支撑膜。类似于上述第二聚合物凝胶电解质180，第二聚合物凝胶电解质380可为包含第二聚合物基质和第二液体电解质的高锂离子传导性和低电子传导性电解质。例如，电解质层326可包含大于或等于约0.01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10重量%至小于或等于约50重量%的第二聚合物基质；大于或等于约0.01重量%至小于或等于约90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50重量%的第二液体电解质；以及大于或等于约0重量%至小于或等于约80重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10重量%至小于或等于约50重量%的固态电解质颗粒330。
正电极324可包含与任选的第三多个固态电解质颗粒392混合的多个正极固态电活性颗粒360。正电极324可进一步包含第三聚合物凝胶电解质384，其填充正电极324中在正极固态电活性颗粒360和/或固态电解质颗粒392之间的空隙。与上述第三聚合物凝胶电解质184类似，第三聚合物凝胶电解质384可为柔软且高弹性凝胶电解质，其包含第三聚合物基质、第三液体电解质和第二添加剂或阴极添加剂。
如图3所示，电池组320还包括一个或多个聚合物阻隔件370A、370B。一个或多个聚合物阻隔件370A、370B可设置在电池单元的边界处或附近，以便减轻潜在的离子短路。例如，如图示，一个或多个聚合物阻隔件370A、370B可在电池单元的边界处或附近接触或连接一个或多个集流体332、334，以完全密封电池单元。尽管图3示出设置在电池的各个端部处的聚合物阻隔件对370A、370B，但是本领域技术人员将理解，在一些方面中，聚合物阻隔件可仅施加到特定电池的一个端部，可不存在于特定电池中，或者可完全不存在于电池组中。
一个或多个聚合物阻隔件370A、370B可包括离子和电子绝缘材料。离子和/或电子绝缘材料的特征还可在于具有强的粘合力(例如，大于或等于约0.01 MPa至小于或等于约1000 MPa，并且在某些方面中，任选地大于或等于约0.1 MPa至小于或等于约40 MPa)。离子和/或电子绝缘材料的特征还可在于表现出优异的热稳定性(例如，在大于或等于约40℃至小于或等于约200℃下，并且在某些方面中，任选地大于或等于约45℃至小于或等于约150℃下的稳定性)。例如，聚合物阻隔件370A、370B中的一个或多个可包含以下中的至少一种：热熔粘结剂(如聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、聚烯烃树脂)；聚乙烯树脂；聚丙烯树脂；含有无定形聚丙烯树脂作为主要组分并通过共聚例如乙烯、丙烯和丁烯获得的树脂；硅酮；聚酰亚胺树脂；环氧树脂；丙烯酸类树脂；橡胶(例如三元乙丙橡胶(EPDM))；异氰酸酯粘结剂；丙烯酸类树脂粘结剂；和氰基丙烯酸酯粘结剂。在各种方面中，一个或多个聚合物阻隔件370A、370B可具有大于或等于约2μm至小于或等于约200μm的厚度。
在各个方面，本公开提供了制造包括凝胶电解质体系的电池组的方法，所述电池组例如图1B中所示的电池组20、图2中所示的电池组200和/或图3中所示的电池组300。例如，本发明考虑了制造第一电极的方法，其中该方法通常包括使第一前体液体与第一或负极电活性材料层形式的第一电极或负电极前体接触，并同时或同步地使第二前体液体与第二或正极电活性材料层形式的第二或正电极前体接触。方法进一步包括干燥第一前体液体以形成包括第一聚合物凝胶电解质的凝胶辅助的第一电极或负电极，并且同时或同步，干燥第二前体液体以形成包含第二聚合物凝胶电解质的凝胶辅助的第二或正电极。在某些变体中，方法还可包括与第一和/或第二接触同时或同步使第三前体液体与包含多个固态电解质颗粒的前体电解质层接触，并且干燥第三前体液体以形成包含第三聚合物凝胶电解质的凝胶辅助电解质层。在其它变体中，方法还可包括与第一和/或第二接触同时或同步形成由聚合物凝胶限定的自支撑膜。在每种情况下，方法包括基本上对齐和/或堆叠第一或负极电解质层、第二或正极电解质层、以及由聚合物凝胶限定的凝胶辅助电解质层和/或自支撑膜。尽管上述讨论描述了单个负电极、单个正电极和单个电解质层，但是本领域技术人员将认识到，本教导适用于各种其它配置，包括具有一个或多个阳极、一个或多个阴极和一个或多个电解质层，以及各种集流体和集流体膜的那些，所述各种集流体和集流体膜具有设置在其一个或多个表面上或附近或嵌入其一个或多个表面内的电活性颗粒层。
图4示出用于制造包括凝胶电解质体系的电池组，例如图1B所示的电池组20的示例性方法400。
方法400可包括制备410第一凝胶辅助电极。制备410第一凝胶辅助电极可包括使第一前体液体和第一前体电极接触412。第一前体电极可包括设置在第一双极型集流体的第一表面上或附近的第一电活性材料层。第一电活性材料层可包括第一多个固态电活性材料颗粒(例如，负极固态电活性材料颗粒)和任选的第一多个固态电解质颗粒。
第一前体液体可包含第一凝胶前体和第一液体电解质。例如，第一凝胶前体可包含第一聚合物基质和第一添加剂或阳极添加剂。第一液体电解质可包含第一锂盐和第一电解质溶剂。第一前体液体可包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约80重量%，任选地大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%，任选地大于或等于约0.1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0.1重量%至小于或等于约15重量%的第一聚合物基质；大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10重量%至小于或等于约70重量%的第一液体电解质；和大于0重量%至小于或等于约15重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂。第一前体液体还包含大于或等于约20重量%至小于或等于约80重量%的第一稀释溶剂。
第一聚合物基质可包括，例如，聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第一凝胶前体可包括聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVdF-HFP)。例如，作为非限制性实例，第一凝胶前体可包含约2.5重量%的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)。
第一添加剂或阳极添加剂可包括例如含不饱和碳键的化合物(例如，碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)等)、含硫化合物(例如，亚硫酸亚乙酯(ES)、亚硫酸亚丙酯(PyS)等)、含卤素化合物(例如，碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸氯代亚乙酯(Cl-EC)等)、甲基取代的乙交酯衍生物、马来酰亚胺(MI)添加剂、含有吸电子基团的添加剂或化合物、及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第一凝胶前体可包括碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)。例如，作为非限制性实例，第一凝胶前体可包含约2.5重量%的碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)。
第一锂盐可包括，例如，六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、环二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺锂(LiBETI)、双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第一前体液体可包含0.4M的双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和0.4M的四氟硼酸锂(LiBF4)。
在某些方面，第一电解质溶剂溶解第一锂盐以实现良好的锂离子传导性，同时表现出低蒸气压(例如，在25℃下小于约10 mmHg)以匹配制造方法。第一电解质溶剂可包括例如碳酸酯溶剂(如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甘油酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸1,2-亚丁酯等)、内酯(如ɣ-丁内酯、δ-戊内酯等)、腈类(如琥珀腈、戊二腈、己二腈等)、砜(如四亚甲基砜、乙基甲基砜、乙烯基砜、苯基砜、4-氟苯基砜、苄基砜等)、醚(如三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚，G3)、四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚、G4)、1,3-二甲氧基丙烷、1,4-二噁烷等)、磷酸酯(如磷酸三乙酯、磷酸三甲酯等)、包含离子液体阳离子(如1-乙基-3-甲基咪唑鎓离子([Emim]+)、1-丙基-1-甲基哌啶鎓离子([PP13]+、1-丁基-1-甲基哌啶鎓离子([PP14]+)、1-甲基-1-乙基吡咯烷鎓离子([Pyr12]+)、1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr13]+)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr14]+)等)和离子液体阴离子(如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰基)亚胺(FS)等)的离子液体，及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第一前体液体可包含1:1 (v/v)的碳酸亚乙酯(EC)和γ-丁内酯(GBL)。
第一稀释溶剂可包括例如碳酸二甲酯(DMC)、乙酸乙酯、乙腈、丙酮、甲苯、碳酸二乙酯、1,2,2-四氟乙基醚、2,2,3,3-四氟丙基醚、及其组合。例如，作为非限制性实例，第一凝胶前体可包括碳酸二甲酯(DMC)。
尽管未示出，但在某些变体中，方法400可包括制备第一前体液体。所述第一前体液体可通过将第一凝胶前体加入第一液体电解质中来制备。例如，在某些变体中，作为非限制性实例，可将约2.5重量%的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)和约2.5重量%的碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)加入到第一液体电解质中以形成第一前体液体。类似地，在某些变体中，方法400可包括制备第一前体电极。所述第一前体电极可通过将第一多个固态电活性材料颗粒和任选的第一多个固态电解质颗粒设置在第一双极型集流体的一个或多个表面上或附近来制备。
再次参考图4，如所示，制备410第一凝胶辅助电极还可包括去除414第一稀释溶剂(例如，碳酸二甲酯(DMC))，以形成包括第一聚合物凝胶电解质的第一凝胶辅助电极。可通过加热或蒸发低沸点溶剂(例如碳酸二甲酯(DMC))来除去414第一稀释溶剂。
方法400可包括同时或同步制备420第二凝胶辅助电极。制备420第二凝胶辅助电极可包括使第二前体液体和第二前体电极接触422。第二前体电极可包括设置在第二双极型集流体的第一表面上或附近的第二电活性材料层。第二电活性材料层可包括第二多个固态电活性材料颗粒(例如，正极固态电活性材料颗粒)和任选的第二多个固态电解质颗粒。
第二前体液体可包含第二凝胶前体和第二液体电解质。例如，第二凝胶前体可包含第二聚合物基质和第二添加剂或阴极添加剂。第二液体电解质可包含第二锂盐和第二电解质溶剂。第二前体液体可包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约80重量%，任选地大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%，任选地大于或等于约0.1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0.1重量%至小于或等于约15重量%的第二聚合物基质；大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10重量%至小于或等于约70重量%的第二液体电解质；和大于0重量%至小于或等于约15重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂。第二前体液体还包含大于或等于约20重量%至小于或等于约80重量%的第二稀释溶剂。
第二聚合物基质可与第一聚合物基质相同或不同。第二聚合物基质可包括例如聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(乙烯醇) (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸锂(LiPAA)及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第二凝胶前体可包括聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)。例如，作为非限制性实例，第二凝胶前体可包含约2.5重量%的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)。
第二添加剂或阴极添加剂可包括例如含硼化合物(如双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)等)、含硅化合物(如三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(TMSP)、三(三甲基甲硅烷基)硼酸酯(TMSB)等)、含磷化合物(如三苯基膦(TPP)、二苯基乙氧基膦(EDP)、亚磷酸三乙酯(TEP)等)、含苯基、噻吩苯胺基团和/或马来酰亚胺基团的化合物(如联苯(BP)、邻三联苯(OT)、2,2'-双[4-(4 马来酰亚胺苯氧基)苯基]丙烷(BMP)等)、含有苯胺基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团和/或噻吩基团的化合物(如N,N-二甲基-苯胺(DMA))及其组合。例如，作为非限制性实例，第二凝胶前体可包含约2.5重量%的二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)。
第二液体电解质可与第一液体电解质相同或不同。例如，第二锂盐可包括，例如，六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、环二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺锂(LiBETI)、双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第二前体液体可包含0.4M的双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)和0.4M的四氟硼酸锂(LiBF4)。
在某些方面，第二电解质溶剂溶解第二锂盐以实现良好的锂离子传导性，同时表现出低蒸气压(例如，在25℃下小于约10 mmHg)以匹配制造方法。第二电解质溶剂可包括例如碳酸酯溶剂(如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甘油酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸1,2-亚丁酯等)、内酯(如ɣ-丁内酯、δ-戊内酯等)、腈类(如琥珀腈、戊二腈、己二腈等)、砜(如四亚甲基砜、乙基甲基砜、乙烯基砜、苯基砜、4-氟苯基砜、苄基砜等)、醚(如三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚，G3)、四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚、G4)、1,3-二甲氧基丙烷、1,4-二噁烷等)、磷酸酯(如磷酸三乙酯、磷酸三甲酯等)、包含离子液体阳离子(如1-乙基-3-甲基咪唑鎓离子([Emim]+)、1-丙基-1-甲基哌啶鎓离子([PP13]+、1-丁基-1-甲基哌啶鎓离子([PP14]+)、1-甲基-1-乙基吡咯烷鎓离子([Pyr12]+)、1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr13]+)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr14]+)等)和离子液体阴离子(如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰基)亚胺(FS)等)的离子液体，及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第二前体液体可包含1:1 (v/v)的碳酸亚乙酯(EC)和γ-丁内酯(GBL)。
第二稀释溶剂可与第一稀释溶剂相同或不同。第二稀释溶剂可包括例如碳酸二甲酯(DMC)、乙酸乙酯、乙腈、丙酮、甲苯、碳酸二乙酯、1,2,2-四氟乙基醚、2,2,3,3-四氟丙基醚、及其组合。例如，作为非限制性实例，第二凝胶前体可包括碳酸二甲酯(DMC)。
尽管未示出，但在某些变体中，方法400可包括制备第二前体液体。所述第二前体液体可通过将第二凝胶前体加入第二液体电解质中来制备。例如，在某些变体中，作为非限制性实例，可将约2.5重量%的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVdF-HFP)和约2.5重量%的二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)加入到第二液体电解质中以形成第二前体液体。类似地，在某些变体中，方法400可包括制备第二前体电极。所述第二前体电极可通过将第二多个固态电活性材料颗粒和任选的第二多个固态电解质颗粒设置在第一双极型集流体的一个或多个表面上或附近来制备。
再次参考图4，如所示，制备420第二凝胶辅助电极还可包括去除424第二稀释溶剂(例如，碳酸二甲酯(DMC))，以形成包括第二聚合物凝胶电解质的第二凝胶辅助电极。可通过加热或蒸发低沸点溶剂(例如碳酸二甲酯(DMC))来除去424第二稀释溶剂。
方法400可包括同时或同步制备430凝胶辅助电解质层。在某些变体中，制备430凝胶辅助电解质层可包括使第三前体液体与任选的第三多个固态电解质颗粒接触432。使第三前体液体和第三多个固态电解质颗粒接触432可包括例如研磨第三前体液体和第三多个固态电解质颗粒。
第三前体液体可包括第三凝胶前体和第三液体电解质。例如，第三凝胶前体可包含聚合物基质。第三液体电解质可包含第三锂盐和第三电解质溶剂。第三前体液体可包含大于或等于约0.1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10重量%至小于或等于约50重量%的第三聚合物基质；和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的第三液体电解质。
第三聚合物基质可包括例如基于腈的固体聚合物电解质(例如，聚(丙烯腈)(PAN)等)、聚醚(例如，聚(环氧乙烷) (PEO)、聚(乙二醇) (PEG)等)、基于聚酯的固体聚合物(例如，聚碳酸亚乙酯(PEC)、聚(三亚甲基碳酸酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯) (PPC)等)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第三凝胶前体可包括聚(丙烯腈)(PAN)。例如，作为非限制性实例，第三凝胶前体可包含16.7重量%的聚(丙烯腈)(PAN)。
第三液体电解质可与第一液体电解质和/或第二液体电解质相同或不同。第三液体电解质可具有大于0mol/L至小于或等于约3mol/L的浓度。第三锂盐可包括例如六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、环二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺锂(LiBETI)、双(草酸根合)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第三前体液体可包含0.4M的双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和0.4M的四氟硼酸锂(LiBF4)。
第三电解质溶剂应溶解第三锂盐以使实现良好的锂离子传导性，同时表现出低蒸气压(例如，在25℃下小于约10 mmHg)以匹配制造方法。第三溶剂可包括，例如，碳酸酯溶剂(如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甘油酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸1,2-亚丁酯等)、内酯(如ɣ-丁内酯、δ-戊内酯等)、腈类(如琥珀腈、戊二腈、己二腈等)、砜(如四亚甲基砜、乙基甲基砜、乙烯基砜、苯基砜、4-氟苯基砜、苄基砜等)、醚(如三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚，G3)、四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚、G4)、1,3-二甲氧基丙烷、1,4-二噁烷等)、磷酸酯(如磷酸三乙酯、磷酸三甲酯等)、包含离子液体阳离子(如1-乙基-3-甲基咪唑鎓离子([Emim]+)、1-丙基-1-甲基哌啶鎓离子([PP13]+、1-丁基-1-甲基哌啶鎓离子([PP14]+)、1-甲基-1-乙基吡咯烷鎓离子([Pyr12]+)、1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr13]+)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓离子([Pyr14]+)等)和离子液体阴离子(如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰基)亚胺(FS)等)的离子液体，及其组合。在某些变体中，作为非限制性实例，第三前体液体可包含1:1 (v/v)的碳酸亚乙酯(EC)和γ-丁内酯(GBL)。
尽管未示出，但在某些变体中，方法400可包括制备第三前体液体。第三前体液体可通过将第三凝胶前体加入第三液体电解质中来制备。例如，在某些变体中，作为非限制性实例，可将约16.7重量%的聚(丙烯腈)(PAN)加入第三液体电解质中以形成第三前体液体。
重新参见图4，如所示的，制备430凝胶辅助电解质层可进一步包括浇铸凝胶前体溶液以形成凝胶辅助电解质层。例如，制备430凝胶辅助电解质层可包括热浇铸第三前体液体并且允许热浇铸的第三前体液体冷却以形成包括第三聚合物凝胶电解质的凝胶辅助电解质层。
方法400还包括组装440电池组。组装440电池组可包括基本上对齐和/或堆叠一个或多个第一凝胶辅助电极、一个或多个第二凝胶辅助电极和一个或多个凝胶辅助电解质层，以形成限定电池组的一个或多个电池单元。
在以下非限制性实施例中进一步说明当前技术的某些特征。
实施例1
可根据本公开的各个方面制备示例性电池组电池。示例性电池组电池可包括三凝胶电解质体系。例如，示例性电池组电池可包括第一电极或负电极，该第一电极或负电极包括多个负极固态电活性材料颗粒，和任选地，第一多个固态电解质颗粒，所述多个负极固态电活性材料颗粒，和任选地，第一多个固态电解质颗粒设置在第一双极型集流体的第一表面上或附近。示例性电池组电池还可包括与负电极平行的第二电极或正电极。正电极可包括多个正极固态电活性材料颗粒，和任选地第二多个固态电解质颗粒，所述多个正极固态电活性材料颗粒，和任选地包括第二多个固态电解质颗粒设置在第二双极型集流体的第一表面上或附近。示例性电池组电池可进一步包括设置在负电极与正电极之间并将它们物理地隔离的固体电解质层。更具体地，固体电解质层可将多个负极固态电活性材料颗粒(和任选的第一多个固态电解质颗粒)与多个正极固态电活性材料颗粒(和任选的第二多个固态电解质颗粒)隔离。根据本公开的各个方面，负电极可包括第一聚合物凝胶电解质；正电极可包括第二聚合物凝胶电解质；并且固体电解质层可包括第三聚合物凝胶电解质，或者可由第三聚合物凝胶电解质限定。
图5A是示出根据本公开的各个方面的包括三凝胶电解质体系的实施例电池组电池520和具有相同配置但包括单一凝胶电解质的可比电池组电池540的循环性能的图示说明。x-轴500表示循环数。y-轴502表示容量保持率(%)。如所示，实施例电池组电池520具有改善的长期性能。
图5B是示出根据本公开的各个方面的包括三凝胶电解质体系的实施例电池组电池520和具有相同配置但包括单一凝胶电解质的可比电池组电池540的电池放电的图示说明。x-轴504表示容量保持率(%)。y-轴506表示电压(V)。如所示，实施例电池组电池520具有改善的长期性能。
图5C是示出根据本公开的各个方面的包括三凝胶电解质体系的实施例电池组电池520和具有相同配置但包括单一凝胶电解质的可比电池组电池540在25℃下的倍率测试的图示说明。x-轴508表示循环数。y-轴510表示容量保持率(%)。如所示，实施例电池组电池520具有改善的长期性能。
为了说明和描述的目的，已经提供了对实施方案的上述描述。其不意在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个要素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。同样内容也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含第一多个固态电活性材料颗粒和第一聚合物凝胶电解质；
第二电极，其包含第二多个固态电活性材料颗粒和不同于所述第一聚合物凝胶电解质的第二聚合物凝胶电解质；和
电解质层，所述电解质层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述电解质层包含第三聚合物凝胶电解质，所述第三聚合物凝胶电解质与所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质两者都不同。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第一添加剂，并且
第二聚合物凝胶电解质包含大于0重量%至小于或等于约10重量%的第二添加剂。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述第一添加剂包含具有不饱和碳键的化合物、含硫化合物、含卤素化合物、甲基取代的乙交酯衍生物、马来酰亚胺(MI)、含有吸电子基团的化合物、及其组合。
4.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述第二添加剂包含含硼化合物、含硅化合物、含磷化合物、含有苯基、噻吩苯胺基团、马来酰亚胺基团、苯胺基团、苯甲醚基团、金刚烷基、呋喃基团、以及噻吩基团中的至少一个的化合物、及其组合。
5.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质各自还包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%的聚合物基质。
6.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述第一聚合物凝胶电解质和所述第二聚合物凝胶电解质各自还包含大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的液体电解质。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述第三聚合物凝胶电解质包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约50重量%的聚合物基质，和大于或等于约5重量%至小于或等于约90重量%的液体电解质。
8.根据权利要求7所述的电化学电池，其中所述电解质层是由所述第三聚合物凝胶电解质限定的自支撑膜，其中所述自支撑膜具有大于或等于约5μm至小于或等于约1,000μm的厚度。
9.根据权利要求7所述的电化学电池，其中所述电解质层还包含大于0重量%至小于或等于约80重量%的多个固态电解质颗粒。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池还包括：
第一双极型集流体，其设置在所述第一电极的暴露表面上或附近，并且与所述电解质层平行；
第二双极型集流体，其设置在所述第二电极的暴露表面上或附近，并且与所述电解质层平行；和
一个或多个聚合物阻隔件，其耦合至所述第一双极型集流体和所述第二双极型集流体并且在所述第一双极型集流体和所述第二双极型集流体之间延伸。
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