CN116779949A - 包含固态电解质的电池组电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及包含固态电解质的电池组电池。电池组系统包括电池组电池，所述电池包括阳极，所述阳极包括第一集流体和阳极层，所述阳极层设置在第一集流体上并包含阳极活性材料。所述电池包括阴极，所述阴极包括第二集流体和阴极层，所述阴极层设置在第二集流体上并包含阴极活性材料。所述电池包括固态电解质，所述固态电解质包括设置为与阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与阴极接触的耐氧化的固体电解质中的一种。基于100重量份的阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在。基于100重量份的阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在。
Description
技术领域
本公开总体上涉及一种包含固态电解质的电池组电池(battery cell)。
背景技术
电池组电池可包括阳极、阴极和电解质。电池组电池可以在充电模式下运行，接收电能。电池组电池可以在放电模式下运行，提供电能。电池组电池可以通过充电和放电循环运行，其中电池组首先接收和存储电能并然后将电能提供给连接的系统。在利用电能来提供原动力(motive force)的车辆(vehicles)中，可以对车辆的电池组电池进行充电，然后车辆可以行驶一段时间，利用存储的电能来产生原动力。
固态电池组电池包括为阳极和阴极之间的化学反应而提供的固体电解质层或膜。所述固体电解质是固体离子导体(solid ionic conductor)。所述固体电解质还是绝缘材料。所述固体电解质材料的粒子可以另外与固体阳极和固体阴极二者的材料混合或共混。
发明内容
公开了一种电池组系统。所述电池组系统包括电池组电池。所述电池组电池包括阳极，所述阳极包括第一集流体和阳极层，所述阳极层设置在所述第一集流体上并且包含阳极活性材料。所述电池组电池进一步包括阴极，所述阴极包括第二集流体和阴极层，所述阴极层设置在所述第二集流体上并且包含阴极活性材料。所述电池组电池进一步包括固态电解质，所述固态电解质选自设置为与所述阳极接触的耐还原的(reduction tolerable)固体电解质和设置为与所述阴极接触的耐氧化的(oxidation tolerable)固体电解质中的至少一种。基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中。基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
在一些实施方案中，所述固态电解质是所述耐还原的固体电解质并且包括Li7- xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。
在一些实施方案中，基于100重量份的所述阳极层，Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份至3重量份的量存在于所述阳极中。
在一些实施方案中，基于100重量份的所述阳极层，Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份的量存在于所述阳极中。
在一些实施方案中，所述固态电解质是所述耐氧化的固体电解质并且包括Li1+x+ yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
在一些实施方案中，基于100重量份的所述阴极层，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以3重量份至8重量份的量存在于所述阴极中。
在一些实施方案中，基于100重量份的所述阴极层，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以5重量份的量存在于所述阴极中。
在一些实施方案中，所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质和所述耐氧化的固体电解质。所述耐还原的固体电解质包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。所述耐氧化的固体电解质包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
在一些实施方案中，基于100重量份的所述阳极层，Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份的量存在于所述阳极中。基于100重量份的所述阴极层，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以5重量份的量存在于所述阴极中。
在一些实施方案中，所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质材料和所述耐氧化的固体电解质。所述耐还原的固体电解质掺混在所述阳极层内。所述耐氧化的固体电解质掺混在所述阴极层内。
在一些实施方案中，所述耐还原的固体电解质进一步包括紧邻(next to)所述阳极层的耐还原的固体电解质层。所述耐氧化的固体电解质进一步包括紧邻所述阴极层的耐氧化的固体电解质层。
在一些实施方案中，紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有0.01微米至5微米的厚度。紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有0.01微米至10微米的厚度。
在一些实施方案中，紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有2毫米的厚度。紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有7微米的厚度。
在一些实施方案中，所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质材料和所述耐氧化的固体电解质。所述耐还原的固体电解质包括紧邻所述阳极层的耐还原的固体电解质层。所述耐氧化的固体电解质包括紧邻所述阴极层的耐氧化的固体电解质层。
在一些实施方案中，紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有0.01微米至5微米的厚度。紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有0.01微米至10微米的厚度。
在一些实施方案中，紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有2毫米的厚度。紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有7微米的厚度。
在一些实施方案中，所述固态电解质是所述耐还原的固体电解质并且包括石榴石型(garnet type)固体电解质。
在一些实施方案中，所述固态电解质是所述耐还原的固体电解质，并且选自钠超离子导体型(sodium super ionic conductor-type)固体电解质、石榴石型固体电解质和Li3xLa2/3-xTiO3。
根据一个可选择的实施方案，提供了一种装置。所述装置包括动力系(powertrain)的电动机发电机单元(motor generator unit)和被配置为向所述电动机发电机单元提供电能的电池组系统。所述电池组系统包括电池组电池。所述电池组电池包括阳极，所述阳极包括第一集流体和阳极层，所述阳极层设置在所述第一集流体上并包含阳极活性材料。所述电池组电池进一步包括阴极，所述阴极包括第二集流体和阴极层，所述阴极层设置在所述第二集流体上并包含阴极活性材料。所述电池组电池进一步包括固态电解质，所述固态电解质选自设置为与所述阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与所述阴极接触的耐氧化的固体电解质中的至少一种。基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中。基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
在一些实施方案中，所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质和所述耐氧化的固体电解质。所述耐还原的固体电解质包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。所述耐氧化的固体电解质包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点，从用于实施本公开的最佳模式的以下详细描述，当结合附图考虑，将轻而易举是显而易见的。
附图说明
图1以横截面示意性图示根据本公开的包括包含固体电解质的电池组电池的一种示例性电池组系统；
图2以横截面示意性图示根据本公开的图1的电池组电池的一部分，其中固体电解质材料与电极上的活性材料掺混；
图3以横截面示意性图示根据本公开的图1的电池组电池的一部分的一种替代实施方案，其中固体电解质设置为紧邻电极中的每一个的单独的层；
图4以横截面示意性图示根据本公开的图1的电池组电池的一部分的一种替代部分，其中固体电解质材料与电极之一上的活性材料掺混，并且进一步的固体电解质层紧邻电极中的每一个设置；
图5是图示根据本公开的描述具有对照凝胶电解质的电池组和具有所述凝胶电解质和存在于第二电池组内的Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)的第二电池组的电化学阻抗谱的示例性测试结果的曲线图；
图6是图示根据本公开的描述具有对照凝胶电解质的电池组和具有所述凝胶电解质和存在于第二电池组内的LLZO的第二电池组的直流极化(direct currentpolarization)的示例性测试结果的曲线图；
图7是图示根据本公开的描述具有对照电解质组合物的电池组在三种不同操作状态下的电化学阻抗谱的示例性测试结果的曲线图；
图8是图示根据本公开的描述具有对照凝胶电解质的电池组和具有所述凝胶电解质和存在于电池组内的LLZO的第二电池组的直流极化的示例性测试结果的曲线图；
图9是图示根据本公开的示出在室温下在电池组的阴极中具有各种量的LATP的电池组的电池组容量保持率的示例性测试结果的曲线图；
图10是图示根据本公开的示出在高温下在电池组的阴极中具有各种量的LATP的电池组的电池组容量保持率的示例性测试结果的曲线图；
图11是图示根据本公开的示出在室温下在电池组的阳极中具有各种量的LLZO的电池组的电池组容量保持率的示例性测试结果的曲线图；
图12是图示根据本公开的示出在高温下在电池组的阳极中具有各种量的LLZO的电池组的电池组容量保持率的示例性测试结果的曲线图；和
图13示意性图示根据本公开的包括图1的包括多个电池组电池的电池组系统的一种示例性装置。
具体实施方式
固态电解质(SE)或固体电解质可具有促进凝胶或液体电解质的离子解离的益处，从而增强离子传输。包含固态电解质的电池组包含一种或多种固体电解质。SE与凝胶或液体电解质之间的反应可能降低电池循环的效率，特别是在高温下，例如在45℃。
提供了一种包括电池组电池的电池组系统，该电池组电池包括阳极、设置为与阳极接触的耐还原的固体电解质、阴极和设置为与阴极接触的耐氧化的固体电解质。所公开的电池组系统、电池组电池和装置提供在低温和室温下优异的功率能力(powercapability)，并且此外提供优异的高温耐久性。SE被提供在电极层中，在阴极中提供第一固体电解质并且在阳极中提供第二固体电解质。所述固体电解质可以提供为与电极上的活性材料掺混的电解质材料，作为紧邻电极的单独的层，或作为与电极掺混的电解质材料和紧邻电极的单独的层两者。
根据一个实施方案，公开了一种电池组系统。所述电池组系统包括电池组电池。所述电池组电池包括阳极，所述阳极包括第一集流体和阳极层，所述阳极层设置在第一集流体上并包含阳极活性材料。所述电池组电池进一步包括阴极，所述阴极包括第二集流体和阴极层，所述阴极层设置在第二集流体上并包含阴极活性材料。所述电池组电池进一步包括固态电解质，所述固态电解质选自设置为与阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与阴极接触的耐氧化的固体电解质中的至少一种。基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中。基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
许多耐氧化的固体电解质可用于所述阴极、用在所述阴极中或用在所述阴极上。在第一例子中，可以使用Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。在第二例子中，可以使用包括Li1+ xAlxM2-x(PO4)3 (其中M=Ti或Ge)或Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12的钠超离子导体型（NASICON型）固体电解质。在第三例子中，石榴石型固体电解质包括Li7La3Zr2O12或Li7-xLa3Zr2-xMxO12(LLZO，其中M=Ta、Nb、Bi、Sn等)。在第四例子中，可以使用Li3xLa2/3-xTiO3。所公开的固体电解质可以在有或没有表面处理或掺杂的情况下使用。
在一个实施方案中，电极可以包括阴极，所述阴极包括第二集流体（其可以包括导电金属例如铜或铝片）和阴极涂层或层，所述阴极涂层或层包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。所述阴极涂层可具有10微米至200微米的厚度。当紧邻所述阴极提供固体电解质层时，所述固体电解质层可以具有0.01微米至10微米的厚度。在一个实施方案中，所述固体电解质层可以具有7微米的厚度。在一个实施方案中，所述固体电解质层可以具有相当于2层至3层固体电解质粒子的厚度。
所述阴极活性材料可以包括橄榄石型(olivine-type)活性材料，例如LiFePO4或LiMnxFe1-xPO4。在另一例子中，所述阴极活性材料可以包括岩盐层状氧化物，例如包括LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2、LiNixMnyAl1-x-yO2、LiNixMn1-xO2或Li1+xMO2。在另一例子中，所述阴极活性材料可以包括尖晶石，例如LiMn2O4或LiNi0.5Mn1.5O4。在另一例子中，所述阴极活性材料可以包括聚阴离子阴极，例如LiV2(PO4)3。在另一例子中，所述阴极活性材料可以包括其它锂过渡金属氧化物。在另一例子中，所述阴极活性材料可以包括上述阴极活性材料的组合。
在此作为例子提供的阴极材料可以是表面涂覆或掺杂的，例如，LiNbO3涂覆的LiNixMnyCo1-x-yO2和Al掺杂的LiNixMnyCo1-x-yO2。
阴极粘合剂材料可以包括聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)(PVdF-HFP)、聚(四氟乙烯)(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和丁腈橡胶(NBR)。
在所述阴极中使用的导电添加剂可以包括炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、乙炔黑、碳纳米纤维、碳纳米管和其它导电添加剂。所述导电添加剂可包括Super P，其可通过瑞士Bodio的Imerys Graphite and Carbon Switzerland SA商购获得。
在一个实施方案中，与阴极层或不包括集流体的阴极的总重量相比，固体电解质例如LATP基于阴极中的100重量份可以提供1重量份至10重量份，其中所述阴极另外包含基于电极中的100重量份30重量份至98重量份的阴极活性材料、基于电极中的100重量份0重量份至30重量份的导电添加剂和基于电极中的100重量份0重量份至重量份的粘合剂。在另一实施方案中，基于电极中的100重量份LATP可以在阴极中提供3重量份至8重量份。在另一实施方案中，基于电极中的100重量份LATP可以在阴极中以5重量份提供。
在所公开的电池组系统中，所述耐氧化的固体电解质可以包括Li1+x+yAlxTi2- xSiyP3-yO12(LATP)。基于100重量份的阴极层，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)可以以3重量份至8重量份的量存在于阴极中。基于100重量份的阴极层，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)可以以5重量份的量存在于阴极中。
许多耐还原的固体电解质可用于所述阳极、用在所述阳极中或用在所述阳极上。在第一例子中，可以使用Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。在第二例子中，可以使用包括Li7La3Zr2O12或Li7-xLa3Zr2-xMO12(LLZO，M=Ta、Nb、Bi、Sn等)的石榴石型固体电解质，有或没有表面处理或掺杂。
在一个实施方案中，电极可以包括阴极，所述阴极包括集流体(其可以包括导电金属例如铜或铝片)和阳极涂层或层，所述阳极涂层或层包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。所述阳极涂层可具有10微米至200微米的厚度。当紧邻所述阴极提供固体电解质层时，所述固体电解质层可以具有00.1微米至5微米的厚度。在一个实施方案中，所述固体电解质层可以具有2微米的厚度。在一个实施方案中，所述固体电解质层可以具有相当于2层至3层固体电解质粒子的厚度。
所述阳极活性材料可以包括碳质材料，例如，包括石墨、硬碳或软碳。在另一例子中，所述阳极活性材料可以包括硅或与石墨混合的硅。在另一例子中，所述阳极活性材料可以包括Li4Ti5O12、过渡金属(例如锡)、金属氧化物例如TiO2、金属硫化物例如FeS或其它接受锂的阳极材料。在另一例子中，所述阳极活性材料可以包括锂金属或锂合金。在另一例子中，所述阳极活性材料可以包括上述阳极活性材料的组合。
阳极粘合剂材料可包括PVDF、PVdF-HFP、PTFE、CMC、丁苯橡胶(SBR)和丁腈橡胶(NBR)。
在所述阳极中使用的导电添加剂可以包括炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、乙炔黑、碳纳米纤维、碳纳米管和其它导电添加剂。所述导电添加剂可包括Super P，其可通过瑞士Bodio的Imerys Graphite and Carbon Switzerland SA商购获得。
在一个实施方案中，基于阳极涂层或不包括集流体的阳极的总重量，固体电解质例如LLZO基于阳极中的100份可以在阳极中提供0.1重量份至5重量份，其中所述阳极另外包含基于阳极中的100份30重量份至98重量份的阳极活性材料，基于阳极中的100份0重量份至30重量份的导电添加剂，和基于阳极中的100份0重量份至20重量份的粘合剂。在另一实施方案中，基于阳极中的100份，LLZO可以在阳极中提供1重量份至3重量份。在另一实施方案中，基于阳极中的100份，LLZO可以在阳极中以1重量份提供。
所述耐还原的固体电解质可以是石榴石型固体电解质。
所述耐还原的固体电解质可以选自钠超离子导体型固体电解质、石榴石型固体电解质和Li3xLa2/3-xTiO3。
液体电解质和/或凝胶电解质可进一步提供在所述电池组电池内。例如，可以包含在以0.4/0.6(重量/重量)含有碳酸亚乙酯(EC)/γ-丁内酯(GBL)的溶剂中的5%聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)(PVDF-HFP)+95%[0.4摩尔双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)和0.4体积摩尔的四氟硼酸锂(LiBF4)]。
电场下的LLZO可被描述为极化的固体电解质。极化的固体电解质促进锂盐的解离和增强锂离子传输，特别是在低温下，这增加了界面上的反应性。
在所公开的电池组系统中，所述耐还原的固体电解质可包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。基于100重量份的阳极层，Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)可以以1重量份至3重量份的量存在于阳极中。基于100重量份的阳极层，Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)可以以1份的量存在于阳极中。
在所公开的电池组系统中，所述耐还原的固体电解质可包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)，并且所述耐氧化的固体电解质可包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。基于100重量份的阳极层，Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)可以以1重量份的量存在于阳极中。基于100重量份的阴极层，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)可以以5重量份的量存在于阴极中。
在所公开的电池组系统中，所述耐还原的固体电解质可以包括掺混在阳极层内的耐还原的固体电解质材料，并且所述耐氧化的固体电解质可以包括掺混在阴极层内的耐氧化的固体电解质材料。所述耐还原的固体电解质可以进一步包括紧邻阳极层的耐还原的固体电解质层。所述耐氧化的固体电解质可以进一步包括紧邻阴极层的耐氧化的固体电解质层。紧邻阳极层的耐还原的固体电解质层可具有0.01微米至5微米的厚度。紧邻阴极层的耐氧化的固体电解质层可具有0.01微米至10微米的厚度。紧邻阳极层的耐还原的固体电解质层可以具有2毫米的厚度。紧邻阴极层的耐氧化的固体电解质层可以具有7微米的厚度。
在所公开的电池组系统中，所述耐还原的固体电解质可包括紧邻阳极层的耐还原的固体电解质层。所述耐氧化的固体电解质可包括紧邻阴极层的耐氧化的固体电解质层。紧邻阳极层的耐还原的固体电解质层可具有0.01微米至5微米的厚度。紧邻阴极层的耐氧化的固体电解质层可具有0.01微米至10微米的厚度。紧邻阳极层的耐还原的固体电解质层可以具有2毫米的厚度。紧邻阴极层的耐氧化的固体电解质层可以具有7微米的厚度。
现在参考附图，其中相同的附图标记贯穿几个视图是指相同的特征。图1示意性图示包括固态电池组电池10的一种示例性电池组系统5，该固态电池组电池10包括阳极20、阴极30和隔离件40。电池组电池10使得能够在充电循环中将电能转换成储存的化学能，并且所述电池组电池使得能够在放电循环中将储存的化学能转换成电能。负极电引线22和正极电引线32图示为分别连接到阳极20和阴极30。电池组电池10通过负极电引线22和正极电引线32提供电能。可以串联和/或并联提供多个电池组电池10，以将电能提供或输送到所连接的系统例如动力系元件，例如电动机发电机单元920(图13)。隔离件40使得实现了在阳极20和阴极30之间的离子迁移。
阴极30提供有第一固体电解质。所述第一固体电解质可以提供为散布在阴极30的阴极层内的固体电解质材料、紧邻阴极30的阴极层的单独的层、或散布在阴极30的阴极层内的固体电解质材料和紧邻阴极30的阴极层的单独的层二者。
阳极20提供有第二固体电解质。所述第二固体电解质可以提供为散布在阳极20的阳极层内的固体电解质材料、紧邻阳极20的阳极层的单独的层、或散布在阳极20的阳极层内的固体电解质材料和紧邻阳极20的阳极层的单独的层二者。
在一个实施方案中，凝胶电解质被用于在阳极20中的固体-固体接触之间建立有利的锂离子传导路径。所述凝胶电解质可以以痕量存在，或者所述凝胶电解质可以以比所述固体电解质显著更高的量存在。在一个实施方案中，所述凝胶电解质的重量可以是所述固体电解质和凝胶电解质总重量的10％。所述凝胶电解质可包含聚合物基质(host)(0.1%至50%(重量))和液体电解质(5%至90%(重量))。所述聚合物基质可包括聚(环氧乙烷)、聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、羧甲基纤维素、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚(乙烯醇)或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
所述凝胶电解质可以包含锂盐和溶剂。所述锂盐包含锂阳离子和可以包含六氟砷酸根；六氟磷酸根；双(氟磺酰)亚胺；高氯酸根；四氟硼酸根；环-二氟甲烷-1,1-双(磺酰)亚胺；双(三氟甲磺酰)亚胺；双(全氟乙磺酰)亚胺；双(草酸)硼酸根；二氟(草酸)硼酸根；和双(氟代丙二酸)硼酸根中的一种或多种。所述溶剂溶解所述锂盐，使得实现优异的锂离子传导性。此外，可以根据典型的制造工艺基于相对低的蒸气压来选择所述溶剂。所述溶剂可以选自碳酸酯溶剂、内酯、腈、砜、醚、磷酸酯或离子液体中的一种。
图2以横截面示意性图示图1的电池组电池10的一部分，其中固体电解质材料与至少一个电极上的活性材料掺混。电池组电池10图示为包括阳极20、阴极30和隔离件40。阳极20包括第一集流体24和阳极层26。阳极层26包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。在图2的实施方案中，阳极层26进一步包含与阳极层26的其它组分掺混的固体电解质材料。
阴极30包括第二集流体34和阴极层36。阴极层36包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。在图2的实施方案中，阴极层36进一步包含与阴极层36的其它组分掺混的固体电解质材料。
图3以横截面示意性图示图1的电池组电池的一部分的一个替代实施方案，其中固体电解质设置为紧邻电极中的每一个的单独的层。电池组电池10图示为包括阳极20、阴极30和隔离件40。阳极20包括第一集流体24和阳极层26'。阳极层26'包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。在图3的实施方案中，固体电解质层28紧邻阳极层26'设置。
阴极30包括第二集流体34和阴极层36'。阴极层36'包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。在图3的实施方案中，固体电解质层38紧邻阴极层36'设置。
图4以横截面示意性图示图1的电池组电池的一部分的一种替代部分，其中固体电解质材料与电极之一上的活性材料掺混并且进一步的固体电解质层紧邻电极中的每一个设置。电池组电池10图示为包括阳极20、阴极30和隔离件40。阳极20包括第一集流体24和阳极层26''。阳极层26''包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。在图4的实施方案中，阳极层26''进一步包含与阳极层26''的其它组分掺混的固体电解质材料。另外，固体电解质层28紧邻阳极层26''设置。
阴极30包括第二集流体34和阴极层36''。阴极层36''包含活性材料并且可以包含导电添加剂和粘合剂。在图4的实施方案中，阴极层36''进一步包含与阴极层36''的其它组分掺混的固体电解质材料。此外，固体电解质层38紧邻阴极层36''设置。
图5是图示描述具有对照凝胶电解质的电池组和具有所述凝胶电解质和存在于电池组内的LLZO的第二电池组的电化学阻抗谱(EIS)的示例性测试结果的曲线图100。测试在25℃进行。坐标轴代表奈奎斯特(Nyquist)曲线，奈奎斯特曲线表示单个电极或电化学电池的复阻抗的虚部(垂直轴104)的负值与实部(水平轴102)。曲线120包括具有对照凝胶电解质的电池组的性能。曲线130包括具有所述凝胶电解质和LLZO的电池组的性能。测试结果表明，具有LLZO的电池组显示出电极内略微增强的离子传输和降低的界面阻抗。
图6是图示描述具有对照凝胶电解质的电池组和具有所述凝胶电解质和存在于电池组内的LLZO的第二电池组的直流极化的示例性测试结果的曲线图200。测试在25℃在50毫伏下进行。垂直轴204示出了对电极的以安培/平方厘米计的电流。水平轴202示出了以秒计的时间。曲线220图示包含对照凝胶电解质的电池组的测试结果。曲线230图示包含所述凝胶电解质和LLZO的电池组的测试结果。测试结果表明，具有LLZO的电池组显示出LLZO更可能被极化以引发副反应，提供略高的电流。
图7是图示描述具有对照电解质组合物的电池组在三种不同操作状态下的EIS的示例性测试结果的曲线图300。测试在-18℃进行。坐标轴代表奈奎斯特曲线，奈奎斯特曲线表示单个电极或电化学电池的复阻抗的虚部(垂直轴304)的负值与实部(水平轴302)。曲线320包括具有对照凝胶电解质的电池组的性能。曲线330包括具有所述凝胶电解质和LLZO的电池组的性能。测试结果表明，具有LLZO的电池组在低温下显示出好得多的界面离子传输，这是由于由LLZO粒子导致的快速锂离子解离。
图8是图示描述具有对照凝胶电解质的电池组和具有所述凝胶电解质和存在于电池组内的LLZO的第二电池组的直流极化的示例性测试结果的曲线图400。测试在-18℃在50毫伏下进行。垂直轴404示出了阳极的以安培/平方厘米计的电流。水平轴402示出了以秒计的时间。曲线420图示包含对照凝胶电解质的电池组的测试结果。曲线430图示包含所述凝胶电解质和LLZO的电池组的测试结果。测试结果表明，虽然凝胶电解质的一般反应热力学在低温下很慢，但具有LLZO的电池组由于极化的LLZO而潜在地引发更多副反应。回顾图5-8的结果，可以看出极化的电解质例如LLZO将促进锂盐的解离并增强锂离子传输，这将另外引发界面上的反应性。
图9是图示示出在室温下在电池组的阴极中具有各种量的LATP的电池组的电池组放电倍率容量保持率的示例性测试结果的曲线图500。垂直轴504示出为表示以百分比计的电池容量保持率。水平轴502示出为表示电池组运行所经过的充电和放电循环的数量。测试在25℃进行。充电倍率固定且为1C，并且以1C、2C、5C和10C进行放电。曲线510图示了存在0重量% LATP的对照电池组。曲线520图示了存在5重量% LATP的电池组。曲线530图示了存在10重量% LATP的电池组。曲线540图示了存在20重量% LATP的电池组。在测试结果中可以看出，与曲线510相比，曲线520、曲线530和曲线540中电池组容量保持率的改进，说明通过将固体电解质应用到电极中改进了放电倍率能力。具有5重量%、10重量%和20重量% LATP的电池组通过所图示的室温下的一系列充电和放电循环显示出电池组容量保持率的优异改进。
图10是图示示出在高温和1C充电-放电倍率下在电池组的阴极中具有各种量的LATP的电池组的电池组容量保持率的示例性测试结果的曲线图600。垂直轴604示出为表示以百分比计的电池组容量保持率。水平轴602示出为表示电池组运行所经过的充电和放电循环的数量。测试在45℃在1C或在电池组的电流容量(current capacity)下进行。曲线610图示了存在0重量％ LATP的对照电池组。曲线620图示了存在5重量% LATP的电池组。曲线630图示了存在10重量% LATP的电池组。曲线640图示了存在20重量% LATP的电池组。在测试结果中可以看出与曲线610相比曲线620中电池组容量保持率的改进或相似性。在测试结果中可以看出与曲线610相比，与曲线630和曲线640相关的容量保持率的快速下降。相对于曲线610的对照电池组，具有5重量% LATP的电池组显示出可接受的性能，而与曲线610的对照电池组相比，具有10重量%和20重量% LATP的电池组显示出降低的电池组容量保持率。回顾图9和10的结果，可以看出在阴极中存在5% LATP的电池组表现出在室温下改进的电池组容量保持率，同时保持在高温下优异的性能。
图11是图示示出在室温下在电池组的阳极中具有各种量的LLZO的电池组的电池组放电倍率容量保持率的示例性测试结果的曲线图700。垂直轴704示出为表示以百分比计的电池容量保持率。水平轴702示出为表示电池组运行所经过的充电和放电循环的数量。测试在25℃进行。充电倍率固定且为1C，并且以1C、2C、5C和10C进行放电。曲线710图示了存在0重量% LLZO的对照电池组。曲线720图示了存在1重量% LLZO的电池组。曲线730图示了存在5重量% LLZO的电池组。曲线740图示了存在10重量% LLZO的电池组。在测试结果中可以看出，与曲线710相比，曲线720和曲线730中的电池组容量保持率的改进。可以进一步看出，与曲线710相比，曲线740中的类似的电池组容量保持率。具有1重量%和5重量% LLZO的电池组通过所图示的在室温下的一系列充电和放电循环显示出电池组放电倍率能力的优异改进。
图12是图示示出在高温和1C充电-放电倍率下在电池组的阳极中具有各种量的LLZO的电池组的电池组容量保持率的示例性测试结果的曲线图800。垂直轴804示出为表示以百分比计的电池组容量保持率。水平轴802示出为表示电池组运行所经过的充电和放电循环的数量。测试在45℃在1C或在电池组的电流容量下进行。曲线810图示了存在0重量%LLZO的对照电池组。曲线图820图示了存在1重量% LLZO的电池组。曲线830图示了存在5重量% LLZO的电池组。曲线840图示了存在10重量% LLZO的电池组。在测试结果中可以看出，与曲线810相比，曲线820中的电池组容量保持率的改进或相似性。在测试结果中可以看出，与曲线810相比，与曲线830和曲线840相关的降低的容量保持率性能。相对于曲线810的对照电池组，具有1重量% LLZO的电池组显示出可接受的性能，而具有5重量%和10重量% LLZO的电池组与曲线810的对照电池组相比显示出降低的电池组容量保持率。回顾图11和12的结果，可以看出在阳极中存在1% LLZO的电池组表现出在室温下改进的电池组放电倍率能力，同时保持在高温下优异的性能。
电池组系统5和电池组电池10可以用在广泛的应用和动力系中。图13示意性图示了一种示例性装置900，装置900包括例如电池组电动车辆(BEV)，其包括电池组包910，该电池组包910包括多个电池组电池10。所述多个电池组电池10可以以各种组合连接，例如一部分并联连接且一部分串联连接，以实现以期望电压供应电能的目标。电池组包910图示为电连接到电动机发电机单元920，该电动机发电机单元920可用于向装置900提供原动力。电动机发电机单元920可以包括输出组件，例如输出轴，其被提供可用于将原动力提供给装置900的机械能。设想了装置900的多种变型，并且本公开不旨在限于所提供的例子。
本申请可以包括以下实施方案。
1. 一种电池组系统，其包括：
电池组电池，所述电池组电池包括：
阳极，所述阳极包括：
第一集流体；和
阳极层，所述阳极层设置在所述第一集流体上并且包含阳极活性材料；
阴极，所述阴极包括：
第二集流体；和
阴极层，所述阴极层设置在所述第二集流体上并且包含阴极活性材料；和
固态电解质，所述固态电解质选自设置为与所述阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与所述阴极接触的耐氧化的固体电解质中的至少一种；
其中基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中；和
其中基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
2. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质是所述耐还原的固体电解质并且包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。
3. 根据实施方案2所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阳极层，所述Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份至3重量份的量存在于所述阳极中。
4. 根据实施方案2所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阳极层，所述Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份的量存在于所述阳极中。
5. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质是所述耐氧化的固体电解质并且包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
6. 根据实施方案5所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阴极层，所述Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以3重量份至8重量份的量存在于所述阴极中。
7. 根据实施方案6所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阴极层，所述Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以5重量份的量存在于所述阴极中。
8. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质和所述耐氧化的固体电解质；
其中所述耐还原的固体电解质包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)；和
其中所述耐氧化的固体电解质包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
9. 根据实施方案8所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阳极层，所述Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份的量存在于所述阳极中；和
其中基于100重量份的所述阴极层，所述Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以5重量份的量存在于所述阴极中。
10. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质材料和所述耐氧化的固体电解质；
其中所述耐还原的固体电解质掺混在所述阳极层内；和
其中所述耐氧化的固体电解质掺混在所述阴极层内。
11. 根据实施方案10所述的电池组系统，其中所述耐还原的固体电解质进一步包括紧邻所述阳极层的耐还原的固体电解质层；和
其中所述耐氧化的固体电解质进一步包括紧邻所述阴极层的耐氧化的固体电解质层。
12. 根据实施方案11所述的电池组系统，其中紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有0.01微米至5微米的厚度；和
其中紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有0.01微米至10微米的厚度。
13. 根据实施方案11所述的电池组系统，其中紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有2毫米的厚度；和
其中紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有7微米的厚度。
14. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质材料和所述耐氧化的固体电解质；
其中所述耐还原的固体电解质包括紧邻所述阳极层的耐还原的固体电解质层；和
其中所述耐氧化的固体电解质包括紧邻所述阴极层的耐氧化的固体电解质层。
15. 根据实施方案14所述的电池组系统，其中紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有0.01微米至5微米的厚度；和
其中紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有0.01微米至10微米的厚度。
16. 根据实施方案14所述的电池组系统，其中紧邻所述阳极层的所述耐还原的固体电解质层具有2毫米的厚度；和
其中紧邻所述阴极层的所述耐氧化的固体电解质层具有7微米的厚度。
17. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质为所述耐还原的固体电解质并且包括石榴石型固体电解质。
18. 根据实施方案1所述的电池组系统，其中所述固态电解质为所述耐还原的固体电解质并且选自钠超离子导体型固体电解质、石榴石型固体电解质和Li3xLa2/3-xTiO3。
19. 一种装置，其包括：
动力系的电动机发电机单元；和
电池组系统，所述电池组系统被配置为用于向所述电动机发电机单元提供电能，所述电池组系统包括：
电池组电池，所述电池组电池包括：
阳极，所述阳极包括：
第一集流体；和
阳极层，所述阳极层设置在所述第一集流体上并且包含阳极活性材料；
阴极，所述阴极包括：
第二集流体；和
阴极层，所述阴极层设置在所述第二集流体上并且包含阴极活性材料；
固态电解质，所述固态电解质选自设置为与所述阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与所述阴极接触的耐氧化的固体电解质中的至少一种；
其中基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中；和
其中基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
20. 根据实施方案19所述的装置，其中所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质和所述耐氧化的固体电解质；
其中所述耐还原的固体电解质包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)；和
其中所述耐氧化的固体电解质包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
尽管已经详细描述了用于实施本公开的最佳模式，但是熟悉本公开涉及的领域的技术人员将认识到，用于实践本公开的各种替代设计和实施方案落在所附权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种电池组系统，其包括：
电池组电池，所述电池组电池包括：
阳极，所述阳极包括：
第一集流体；和
阳极层，所述阳极层设置在所述第一集流体上并且包含阳极活性材料；
阴极，所述阴极包括：
第二集流体；和
阴极层，所述阴极层设置在所述第二集流体上并且包含阴极活性材料；和
固态电解质，所述固态电解质选自设置为与所述阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与所述阴极接触的耐氧化的固体电解质中的至少一种；
其中基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中；和
其中基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
2.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述固态电解质是所述耐还原的固体电解质并且包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)。
3.根据权利要求2所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阳极层，所述Li7- xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份至3重量份的量存在于所述阳极中。
4.根据权利要求2所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阳极层，所述Li7- xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份的量存在于所述阳极中。
5.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述固态电解质是所述耐氧化的固体电解质并且包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
6.根据权利要求5所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阴极层，所述Li1+x+ yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以3重量份至8重量份的量存在于所述阴极中。
7.根据权利要求6所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阴极层，所述Li1+x+ yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以5重量份的量存在于所述阴极中。
8.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述固态电解质包括所述耐还原的固体电解质和所述耐氧化的固体电解质；
其中所述耐还原的固体电解质包括Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)；和
其中所述耐氧化的固体电解质包括Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)。
9.根据权利要求8所述的电池组系统，其中基于100重量份的所述阳极层，所述Li7- xLa3Zr2-xTaxO12(LLZO)以1重量份的量存在于所述阳极中；和
其中基于100重量份的所述阴极层，所述Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(LATP)以5重量份的量存在于所述阴极中。
10.一种装置，其包括：
动力系的电动机发电机单元；和
电池组系统，所述电池组系统被配置为用于向所述电动机发电机单元提供电能，所述电池组系统包括：
电池组电池，所述电池组电池包括：
阳极，所述阳极包括：
第一集流体；和
阳极层，所述阳极层设置在所述第一集流体上并且包含阳极活性材料；
阴极，所述阴极包括：
第二集流体；和
阴极层，所述阴极层设置在所述第二集流体上并且包含阴极活性材料；
固态电解质，所述固态电解质选自设置为与所述阳极接触的耐还原的固体电解质和设置为与所述阴极接触的耐氧化的固体电解质中的至少一种；
其中基于100重量份的所述阳极层，所述耐还原的固体电解质以0.1重量份至5重量份的量存在于所述电池组电池中；和
其中基于100重量份的所述阴极层，所述耐氧化的固体电解质以1重量份至10重量份的量存在于所述电池组电池中。
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