CN116826158A - 经由原位聚合制造聚合物基双极电池组的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了经由原位聚合制造聚合物基双极电池组的方法。提供了经由原位聚合形成电池组的方法。将第一阻挡剂组合物的前体施加到至少一个双极电极以及端负电极和端正电极的选定边缘区域。将部件与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成堆叠件。使所述前体反应以形成第一阻挡剂组合物，所述第一阻挡剂组合物密封所述堆叠件的三个侧面以限定可填充的内部区域。接着，将聚合物电解质前体注入到可填充的内部区域中。将第二阻挡剂组合物的前体施加到所述堆叠件的第四侧面的末端区域。使所述前体同时反应以形成聚合物电解质和沿所述第四侧面的第二阻挡剂组合物。第一阻挡剂组合物和第二阻挡剂组合物限定了包括堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含聚合物电解质。

Description

经由原位聚合制造聚合物基双极电池组的方法
技术领域
本发明涉及经由原位聚合制造聚合物基双极电池组的方法。
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。
本公开涉及用于经由流水线化原位聚合工艺制造聚合物凝胶基双极电池组(例如锂离子电池组)的方法。
高能量密度电化学电池(例如锂离子电池组)可用于各种消费产品和车辆，例如启动-停止系统(如12V启动-停止系统)、电池组辅助系统(“µBAS”)、混合动力电动车辆(“HEV”)和电动车辆(“EV”)。典型的锂离子电池组包括电池，所述电池各自具有第一电极(例如，正电极或阴极)和第二电极(例如，负电极或阳极)、液体电解质材料和微孔聚合物隔离件。锂离子电池通过在负电极与正电极之间可逆地传递锂离子来运行。多个锂离子电池组电池可电连接以增加电池组中的总输出。
半固态和固态电池组用半固态或固态电解质中间层代替液体电解质(并且通常代替其中分布有液体电解质的微孔聚合物隔离件)。这样的半固态和固态电池组具有优于包含液体电解质的电池组的优点，包括伴随着较低自放电的较长保存期、较简单的热管理、降低的对封装的需求、以及在较宽的温度窗口内运行的能力。例如，半固态电解质和/或固态电解质通常是非挥发性的和不可燃的，从而允许电池在更严酷的条件下循环而不经历电势降低或热失控，这在使用液体电解质时可能潜在地发生。
因此，可以将单个电池组装成叠层电池结构，包括阳极层、阴极层以及介于阳极层和阴极层之间的电解质/隔离件。通常，电化学电池可以指可与其它单元连接的单元。对于某些设计，正电极和负电极可以与介于它们之间的隔离件一起堆叠，并且所得的堆叠件结构置于软包中。传统上，电池密封通常包括用机器/卷曲机密封，将帽与壳体或软包的开口端对齐，并密封壳体或软包。将电解质加入到壳体或软包中，然后将其密封以完成电池组。电解质填充通常包括用液体电解质注入壳体或软包中。
在某些其它方面，当电池是半固态或固态电池组时，形成聚合物凝胶电解质的原位方法可包括将聚合物凝胶电解质引入到多个电化学电池中的每一个中。然而，这些方法需要许多加工步骤，包括各种喷涂和洗涤步骤，以及在该过程中遭受经由蒸发的潜在溶剂损失。因此，期望提供具有较少步骤和减少的经由溶剂蒸发的无意溶剂损失的高功率凝胶电解质辅助固态电池组的制造方法。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开涉及经由原位聚合形成电池组的方法。所述方法任选地包括将第一阻挡剂组合物前体施加到至少一个双极电极、端负电极和端正电极的选定边缘区域。所述方法包括将所述至少一个双极电极、所述端负电极和所述端正电极与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成限定第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的堆叠件。第一阻挡剂组合物前体反应以形成第一阻挡剂组合物，所述第一阻挡剂组合物密封所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面一起限定可填充的内部区域。所述方法还包括将聚合物电解质的前体注入到可填充的内部区域中，并且将第二阻挡剂组合物前体施加到所述第四侧面的末端区域。所述方法还包括使所述聚合物电解质的前体和所述第二阻挡剂组合物的前体同时反应，以在所述堆叠件内形成聚合物电解质，并沿所述第四侧面形成第二阻挡剂组合物。所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物限定了包括堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含聚合物电解质。
在一个方面，所述聚合物电解质的前体和所述第二阻挡剂组合物的前体同时反应在大于或等于约80℃至小于或等于约90℃下进行大于或等于约30分钟至小于或等于约3小时。
在一个方面，所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自具有独立地选自大于或等于约2微米至小于或等于约200微米的厚度。
在一个方面，所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自包含大于或等于约70重量%的环氧树脂、小于或等于约10重量%的固化剂和大于或等于约20重量%的无机填料。
在一个进一步的方面，所述环氧树脂包括双酚A二缩水甘油醚，固化剂包括基于聚醚胺的化合物，并且所述无机填料选自：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、羟基氧化铝(γ-AlOOH)、二氧化钛(TiO2)及其组合。
在一个方面，所述聚合物凝胶电解质包含聚合物主体、至少一种锂盐和至少一种溶剂。
在一个方面，所述聚合物凝胶电解质具有大于0重量%至小于或等于约20重量%的聚合物主体、大于或等于约10重量%至小于或等于约20重量%的至少一种锂盐、以及大于或等于约80重量%至小于或等于约99重量%的至少一种溶剂。
在一个方面，所述聚合物主体选自：聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚偏二氟乙烯共聚物(例如，PVdF-六氟丙烯或(PVdF-HFP))、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、其低聚物、共聚物和组合。
在一个方面，所述至少一种锂盐选自：双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、六氟砷酸盐、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺盐(TFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺盐(BETI)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、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)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiTFO)、环-二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)及其组合。
在一个方面，所述至少一种溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)和聚苯乙烯(PS)，及其组合。在一个变型中，所述溶剂包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、聚苯乙烯(PS)及其组合。
在一个方面，所述至少一个双极电极包括多个双极电极，并且将第一阻挡剂组合物前体施加到所述多个双极电极中的每一个的选定边缘区域。
本公开还进一步涉及经由原位聚合形成电池组的方法。所述方法可以包括将第一环氧基阻挡剂组合物前体施加到至少一个双极电极、端负电极和端正电极的选定边缘区域。所述方法还包括将所述至少一个双极电极、所述端负电极和所述端正电极与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成限定第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的堆叠件。使所述第一环氧基阻挡剂组合物前体反应以形成第一环氧基阻挡剂组合物，所述第一环氧基阻挡剂组合物密封所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面一起限定可填充的内部区域。所述方法包括将聚合物电解质的前体注入到所述可填充的内部区域中，并且将第二环氧基阻挡剂组合物前体施加到所述第四侧面的末端区域。所述方法还包括使所述聚合物电解质的前体和所述第二环氧基阻挡剂组合物的前体同时反应，以在所述堆叠件内形成聚合物电解质和沿所述第四侧面形成第二环氧基阻挡剂组合物。由此形成的聚合物凝胶电解质包含聚合物主体和溶剂混合物，所述聚合物主体包含聚环氧烷、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)，所述溶剂混合物包含碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)和碳酸乙基亚甲酯(EMC)。所述第一环氧基阻挡剂组合物和所述第二环氧基阻挡剂组合物限定了包括堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含聚合物电解质。
在一个方面，所述聚环氧烷包括聚环氧乙烷(PEO)。
在一个方面，所述电解质包含约0.5 M的双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和约0.5 M的四氟硼酸锂(LiBF4)。
在一个方面，所述溶剂混合物中碳酸亚乙酯(EC)比碳酸二亚乙酯(DEC)比碳酸乙基亚甲酯(EMC)的体积比为约1:1:1。
在一个方面，所述聚合物凝胶电解质包含大于或等于约82重量%至小于或等于约90重量%的所述溶剂混合物，并且所述聚合物凝胶电解质还包含聚合物凝胶电解质总重量的约1重量%的碳酸亚乙烯酯(VC)、聚合物凝胶电解质总重量的约0.5重量%的碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)和聚合物凝胶电解质总重量的约1.5重量%的聚苯乙烯。
在一个方面，所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自具有独立地选自大于或等于约2微米至小于或等于约200微米的厚度。
在一个方面，所述第一环氧基阻挡剂组合物和所述第二环氧基阻挡剂组合物各自包含大于或等于约70重量%的环氧树脂、小于或等于约10重量%的固化剂和大于或等于约20重量%的无机填料。
在一个方面，所述环氧树脂包括双酚A二缩水甘油醚，固化剂包括基于聚醚胺的化合物，并且所述无机填料选自：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、羟基氧化铝(γ-AlOOH)、二氧化钛(TiO2)及其组合。
在一个方面，所述聚环氧烷为聚合物凝胶电解质总重量的大于0重量%至小于或等于约20重量%，双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)的总量为聚合物凝胶电解质的大于或等于约10重量%至小于或等于约20重量%，以及至少一种溶剂为大于或等于约80重量%至小于或等于约99重量%。
本发明公开了以下实施方案：
1. 经由原位聚合形成电池组的方法，所述方法包括：
将第一阻挡剂组合物前体施加到至少一个双极电极、端负电极和端正电极的选定边缘区域；
将所述至少一个双极电极、所述端负电极和所述端正电极与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成限定第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的堆叠件；
使所述第一阻挡剂组合物前体反应以形成第一阻挡剂组合物，所述第一阻挡剂组合物密封所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面一起限定可填充的内部区域；
将聚合物电解质的前体注入到所述可填充的内部区域中；
将第二阻挡剂组合物前体施加到所述第四侧面的末端区域；以及
使所述聚合物电解质的前体和所述第二阻挡剂组合物的前体同时反应，以在所述堆叠件内形成聚合物电解质，并沿所述第四侧面形成第二阻挡剂组合物，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物限定了包括所述堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含所述聚合物电解质。
2. 根据实施方案1所述的方法，其中所述聚合物电解质的前体和所述第二阻挡剂组合物的前体同时反应在大于或等于约80℃至小于或等于约90℃下进行大于或等于约30分钟至小于或等于约3小时。
3. 根据实施方案1所述的方法，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自具有独立地选自大于或等于约2微米至小于或等于约200微米的厚度。
4. 根据实施方案1所述的方法，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自包含大于或等于约70重量%的环氧树脂、小于或等于约10重量%的固化剂和大于或等于约20重量%的无机填料。
5. 根据实施方案4所述的方法，其中所述环氧树脂包含双酚A二缩水甘油醚，固化剂包含基于聚醚胺的化合物，并且所述无机填料选自：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、羟基氧化铝(γ-AlOOH)、二氧化钛(TiO2)及其组合。
6. 根据实施方案1所述的方法，其中所述聚合物凝胶电解质包含聚合物主体、至少一种锂盐和至少一种溶剂。
7. 根据实施方案1所述的方法，其中所述聚合物凝胶电解质具有大于0重量%至小于或等于约20重量%的聚合物主体、大于或等于约10重量%至小于或等于约20重量%的至少一种锂盐、以及大于或等于约80重量%至小于或等于约99重量%的至少一种溶剂。
8. 根据实施方案1所述的方法，其中聚合物主体选自：聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚偏二氟乙烯共聚物(例如，PVdF-六氟丙烯或(PVdF-HFP))、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、其低聚物、共聚物和组合。
9. 根据实施方案1所述的方法，其中至少一种锂盐选自：双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、六氟砷酸盐、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺盐(TFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺盐(BETI)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、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)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiTFO)、环-二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)及其组合。
10. 根据实施方案1所述的方法，其中至少一种溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)和聚苯乙烯(PS)，及其组合，在一个变型中，所述溶剂包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、聚苯乙烯(PS)及其组合。
11. 根据实施方案1所述的方法，其中所述至少一个双极电极包括多个双极电极，并且将所述第一阻挡剂组合物前体施加到所述多个双极电极中的每一个的选定边缘区域。
12. 经由原位聚合形成电池组的方法，所述方法包括：
将第一环氧基阻挡剂组合物前体施加到至少一个双极电极、端负电极和端正电极的选定边缘区域；
将所述至少一个双极电极、所述端负电极和所述端正电极与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成限定第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的堆叠件；
使所述第一环氧基阻挡剂组合物前体反应以形成第一环氧基阻挡剂组合物，所述第一环氧基阻挡剂组合物密封所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面一起限定可填充的内部区域；
将聚合物电解质的前体注入到所述可填充的内部区域中；
将第二环氧基阻挡剂组合物前体施加到所述第四侧面的末端区域；以及
使所述聚合物电解质的前体和所述第二环氧基阻挡剂组合物的前体同时反应，以在所述堆叠件内形成聚合物电解质和沿所述第四侧面形成第二环氧基阻挡剂组合物，其中所述聚合物凝胶电解质包含聚合物主体和溶剂混合物，所述聚合物主体包含聚环氧烷、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)，所述溶剂混合物包含碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)和碳酸乙基亚甲酯(EMC)，其中所述第一环氧基阻挡剂组合物和所述第二环氧基阻挡剂组合物限定了包括所述堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含所述聚合物电解质。
13. 根据实施方案12所述的方法，其中所述聚环氧烷包括聚环氧乙烷(PEO)。
14. 根据实施方案12所述的方法，其中所述电解质包含约0.5 M的双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和约0.5 M的四氟硼酸锂(LiBF4)。
15. 根据实施方案12所述的方法，其中在所述溶剂混合物中碳酸亚乙酯(EC)比碳酸二亚乙酯(DEC)比碳酸乙基亚甲酯(EMC)的体积比为约1:1:1。
16. 根据实施方案15所述的方法，其中所述聚合物凝胶电解质包含大于或等于约82重量%至小于或等于约90重量%的所述溶剂混合物，并且所述聚合物凝胶电解质还包含所述聚合物凝胶电解质总重量的约1重量%的碳酸亚乙烯酯(VC)、所述聚合物凝胶电解质总重量的约0.5重量%的碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)和所述聚合物凝胶电解质总重量的约1.5重量%的聚苯乙烯。
17. 根据实施方案12所述的方法，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自具有独立地选自大于或等于约2微米至小于或等于约200微米的厚度。
18. 根据实施方案1所述的方法，其中所述第一环氧基阻挡剂组合物和所述第二环氧基阻挡剂组合物各自包含大于或等于约70重量%的环氧树脂、小于或等于约10重量%的固化剂和大于或等于约20重量%的无机填料。
19. 根据实施方案18所述的方法，其中所述环氧树脂包含双酚A二缩水甘油醚，固化剂包含基于聚醚胺的化合物，并且所述无机填料选自：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、羟基氧化铝(γ-AlOOH)、二氧化钛(TiO2)及其组合。
20. 根据实施方案12所述的方法，其中所述聚环氧烷为所述聚合物凝胶电解质总重量的大于0重量%至小于或等于约20重量%，所述双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)的总量为所述聚合物凝胶电解质的大于或等于约10重量%至小于或等于约20重量%，以及至少一种溶剂为大于或等于约80重量%至小于或等于约99重量%。
从本文中提供的描述中，进一步的适用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅意在用于说明的目的，并且无意限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于说明所选实施方案而非所有可能的实施方式的目的，并且无意限制本公开的范围。
图1是循环锂离子的电池组的横截面的简化实例的示意图，所述电池组包括双极电极。
图2示出了根据本公开的经由原位聚合形成电池组的方法的初始步骤平面视图，其中在组装之前将第一阻挡剂组合物前体施加到堆叠件的各种部件上。
图3示出了根据本公开的图2中所示的经由原位聚合形成电池组的方法的后续步骤的侧剖视图，其中将聚合物凝胶电解质的前体和第二阻挡剂组合物前体施加到组装的堆叠件的各种部件上用于一步聚合过程，以形成具有其中形成的聚合物凝胶电解质的密封堆叠件。
遍及附图的几个视图，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
提供了示例性实施方案，使得本公开将是透彻的，并将范围充分传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，如具体组合物、部件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式来体现，并且均不应当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工艺、公知的装置结构和公知的技术。
本文所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案的目的，并且无意是限制性的。除非上下文清楚地另行指明，否则如本文所用，单数形式“一”、“一个/一种”和“该”可以意在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是包容性的，并因此规定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或部件的存在，但不排除一种或多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组群的存在或加入。尽管开放式术语“包括”要理解为用于描述和要求保护本文中阐述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语可以替代地理解为更具限制性和约束性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。因此，对于叙述组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由这样叙述的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺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、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从这样的实施方案中排除实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是在该实施方案中可以包括不会实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤。
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例示的特定次序来实施，除非明确确定为实施次序。还要理解的是，除非另行指明，否则可以采用附加或替代的步骤。
当部件、元件或层被提到“位于”、“啮合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层上时，其可以直接位于、啮合到、连接到或耦合到该另一部件、元件或层上，或者可能存在中间元件或层。相比之下，当元件被提到“直接位于”、“直接啮合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层上时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应以类似方式解释(例如，“在……之间”vs.“直接在……之间”，“相邻”vs.“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括相关列举项中的一个或多个的任意和所有组合。
尽管在本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或区段，但除非另行指明，否则这些步骤、元件、部件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或区段与另一步骤、元件、部件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚地指明，否则术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示顺序或次序。因此，下文讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、部件、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，在本文中可以使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“以内”、“以外”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等描述如图中所示的一个元件或特征与另外一个或多个元件或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间或时间上相对的术语可以意在涵盖装置或系统在使用或操作中的不同取向。
遍及本公开，数值代表近似测量值或范围限值以涵盖与给定值的微小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。除了在具体实施方式最后提供的工作实施例中之外，本说明书(包括所附权利要求)中的(例如量或条件的)参数的所有数值要理解为在所有情况下均被术语“约”修饰，无论“约”是否实际出现在该数值前。“约”表示所述数值允许一定程度上的轻微不精确性(一定程度上靠近该值的精确值；大致或合理地接近该值；几乎是)。如果在本领域中不以这种普通含义另行理解由“约”提供的不精确性，那么如本文中所用的“约”表示至少可能由测量和使用此类参数的普通方法引起的偏差。例如，“约”可以包括小于或等于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%、以及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所有值和进一步细分范围的公开，包括对于这些范围给出的端点和子范围。
现在将参照附图更全面地描述示例性实施方案。
具有高功率容量的凝胶基双极电池组可以通过节省连接极耳和电池组封装来提高电池包的能量密度。然而，目前制造凝胶基双极电池是相对复杂的工艺，其需要专门的制造设备和多个加工步骤。本公开提供了用于通过选择温度相容性凝胶前体溶液和用于一步凝固的阻挡剂来生产凝胶基双极电池组的流水线化方法，其有助于充分利用传统的生产线。
在各个方面，本公开预期了用于制造基于聚合的锂离子电池的简化方法。例如，所述方法可以通过选择聚合物凝胶电解质和阻挡剂组合物的相容性前体来提供单步原位聚合/凝胶化和密封，所述前体同时形成聚合物凝胶电解质和电池的密封内部。此外，如本文中将描述的，本公开提供了在注入聚合物凝胶电解质前体之前形成专门的“软包”和阻挡剂组合物的方法。以这种方式，本公开的各个方面的方法提供了可规模化和简化的制造工艺，尤其可用于形成具有聚合物凝胶电解质的凝胶基双极电池，包括半固态和固态电池。
如本文中将描述的，并入双极部件的锂离子电池组中可通过聚合物/复合材料密封剂在末端边缘处容易地密封。双极部件通常具有一个集流体或两个彼此相邻并接触的集流体。集流体的一侧具有正电极，而集流体的另一相对侧具有负电极。多个双极部件可以堆叠在电池内并且设置在端正电极和端负电极之间。在并入双极部件的设计中，与外部电路连接的极耳仅从端正电极和端负电极延伸。因此，双极部件的末端边缘可以容易地用阻挡剂或密封剂材料密封，因为不需要外部连接。如本文中将进一步描述的，具有这些设计的电池特别好地适合于形成过渡期“软包”，其可以接收注入的聚合物凝胶电解质前体，该前体渗入到相应部件的孔隙中并形成聚合物凝胶电解质。
作为背景，循环锂离子的半固态和固态电池组(SSB)，例如双极固态电池组，可以包括至少一个具有固态的部件，例如至少一个固体电极，但是在某些变型中还可以包括半固体或凝胶、液体或气体部件。在某些变型中，固态电池组中的部件可以不包括液体，并且仅包括具有半固态(或凝胶)或固态的部件。
典型的电池组包括至少一个正电极或阴极、至少一个负电极或阳极、电解质材料和任选的隔离件。锂离子电池组电池的堆叠件可以在电化学装置中电连接以增加总输出(例如，通常它们并联连接以增加电流输出)。固态电池组可具有包括多个双极电极的双极堆叠件设计。如上所述，双极电极可以是具有正电极性侧和负电极性侧的组装部件。更具体地，双极电极包括双极集流体，该双极集流体具有设置在双极集流体的正电极侧的正电极和设置在双极集流体的负电极侧的负电极，其中正电极集流体侧和负电极集流体侧彼此相邻。
在各个方面，本公开提供了制造高功率凝胶辅助双极固态电池组的方法。这样的固态电池组可以并入到能量存储装置中，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、露营车和坦克)。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、厂房和仓库)、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，本公开提供了可再充电的锂离子电池组，其表现出高温耐受性以及改进的安全性和优异的功率容量和寿命性能。
图1中示出了循环锂离子的固态电化学电池的堆叠件(也称为“固态电池组”和/或“电池组”)的示例性和示意性图示。电池组30包括呈堆叠件构型的五(5)个电池组单元电池32。在图1中，相应部件的尺寸或厚度未按比例示出，并且进一步地，示出了用于在堆叠件中并入附加单元32 (未示出)的间隔。电池组30包括至少一个端正电极40，其具有端正电极集流体42和正电极活性层44。正电极活性层44设置在端正电极集流体42上并包含正电极电活性材料。电池组30还包括至少一个端负电极50，其包括端负电极集流体52。负电极活性层54包含负电极电活性材料并设置在端负电极集流体52上。
电池组30还包括多个双极电极60，其中的每一个包括正电极70和负电极80，因此具有双极性。正电极70包括正电极集流体72和具有正电极电活性材料的正电极活性层74。双极电极60还各自包括负电极80，其包括负电极集流体82和具有负电极电活性材料的负电极活性层84。正电极集流体72与负电极集流体82相邻设置。(一个或多个)正电极70的取向为面向端负电极50 (或来自另一双极电极60的相邻负电极)的方向。(一个或多个)负电极80的取向为面向端正电极40 (或来自另一双极电极60的相邻正电极)的方向。
正电极40、70的活性层44、74小于负电极50、80的活性层54、84，以帮助减少组装时的潜在短路。端正电极集流体42限定正电极外部极耳46或与其接触，正电极外部极耳46可连接(例如，经由焊接)到与外部负载装置90电连通的外部电路48。端负电极集流体52也与外部电路48和负载装置90电连通。
当电池组30放电时，负载装置90可由通过电路48的电流供电。虽然电负载装置90可以是任何数量的已知的电驱动装置，但一些具体示例包括用于电动车辆的电动机、膝上型计算机、平板计算机、移动电话和无绳电动工具或器具。负载装置90还可以是为了存储电能的目的而对电池组30充电的发电设备。
电池组30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电路48闭合(以连接负电极50、80和正电极40、70)并且负电极具有比正电极更低的电势时发生。正电极40、70和负电极50、80之间的化学势差驱使负电极50、80处的反应(例如嵌入材料的氧化)所产生的电子通过外部电路48朝向正电极40、70。也产生的锂离子同时通过隔离件层62转移。电子流过外部电路48，锂离子迁移穿过隔离件层62，并可在正电极40、70处形成嵌入锂。如上所述，凝胶电解质通常也存在于负电极50、80和正电极40、70中。可以将通过外部电路48的电流利用并引导通过负载装置90，直到负电极50、80中的锂被耗尽并且电池组30的容量减小。
可以将负电极集流体52、82，负电极50、80，隔离件层62，正电极40、70和正电极集流体42、72中的每一个制备为电池组30中的相对较薄的层(例如，厚度为1至2微米直至1毫米或更小，任选地大于或等于约25微米至小于或等于约250微米)。因此，多个双极电极60彼此平行地设置以限定设置在端正电极40和端负电极50之间的电池组单元电池32的堆叠件。电极(包括双极电极60和端电极40、50)可以以串联布置连接的层组装以提供例如合适的电能、电池组电压和功率，从而产生串联连接的单元电池芯(“SECC”)。在各种其它情况下，电池组30还可包括并联连接的双极电极60和端电极40、50，以提供例如合适的电能和功率，从而产生并联连接的单元电池芯(“PECC”)。在各种其它情况下，电池组30还可包括并联和串联连接的双极电极60和端电极40、50，以提供合适的电能、电压和功率。串联或并联连接的单元可以获得目标电压和功率容量，例如，具有50 Ah容量的12V电池组。双极电池组结构(如图1中所示的双极电池组结构)用于提高固态电池包的能量密度，例如，通过减少连接极耳、电池封装等。
如上所述，至少一个双极电极组件包括具有第一极性的第一集流体和具有与第一极性相反的第二极性的第二集流体。作为实例，第一极性可以是正电极性，第二极性可以是负电极性。在双极电极组件中，正电极集流体或第一集流体可以是铝箔。此外，铝可以包括与活性层相邻的碳涂层。第二集流体或负电极集流体可以是铜膜或层。在某些方面，用于正电极集流体或负电极集流体的金属层一起可具有大于或等于约6微米至小于或等于约30微米的组合厚度。在一个变型中，铝箔可以覆在铜层上。在另一变型中，铜膜可以覆在铝层上。
一个或多个正电极活性层44、74可以各自包含锂基正电极电活性材料，该材料能够进行锂嵌入和脱嵌、吸收和解吸、合金化和脱合金化、或镀覆和剥离，同时充当电池组30的正电极端子。一般而言，正电极活性层44、74通常包含相同的锂基正电极电活性材料，尽管它们可以具有不同的组成。如本领域中已知的和下文将进一步描述的，每个电活性层(例如，正电极活性层44、74)可以是复合电极，其不仅包含正电极电活性材料颗粒，而且包含聚合物粘合剂和任选的多个导电颗粒。每个正电极活性层44、74还可以包含混合或分布在复合电极内的固体电解质和/或凝胶电解质。
在各个方面，正电极电活性材料可以是多个固态电活性颗粒。在某些变型中，正电极的活性层可以包含正电极电活性材料，所述正电极电活性材料是层状氧化物阴极、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，正电极固态电活性颗粒可包含一种或多种选自LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2 (其中0≤x≤1且0≤y≤1)、LiNixMnyAl1-x-yO2 (其中0<x≤1且0<y≤1)、LiNixMn1-xO2 (其中0≤x≤1)和Li1+ xMO2 (其中0≤x≤1)的正电极电活性材料。尖晶石阴极可以包括一种或多种正电极电活性材料，例如LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4。聚阴离子阴极可以包括，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)。在其它方面，正电极电活性材料可以是低电压阴极材料，例如锂化金属氧化物/硫化物，如硫化钛酸锂(LiTiS2)、硫化锂(Li2S)、硫等。因此，正电极固态电活性颗粒可以包含一种或多种选自LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2 (其中0≤x≤1且0≤y≤1)、LiNixMnyAl1-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、Li2S、硫及其组合的正电极电活性材料。在某些方面，正电极固态电活性颗粒可以被涂覆(例如，被LiNbO3和/或Al2O3涂覆)和/或正电极电活性材料可以被掺杂(例如，被铝和/或镁掺杂)。
在某些变型中，正电极电活性层可以是多孔复合结构，其包含与聚合物粘合剂基质一起分布的正电极电活性颗粒和任选的固态电解质颗粒。聚合物粘合剂可以是本领域中常规使用的任何粘合剂，例如聚偏二氟乙烯(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)、三元乙丙(EPDM)橡胶、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)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)、聚乙二醇(PEO)和/或聚丙烯酸锂(LiPAA)粘合剂。在某些变型中，粘合剂包含聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯(PVDF-HFP)。
限定正电极活性层的多孔复合结构还可以包含导电材料，例如分布在其中的多个导电颗粒。导电材料可以包括例如碳基材料或导电聚合物。碳基材料可以包括例如石墨、乙炔黑(例如KETCHEN™黑或DENKA™黑)、碳纤维和碳纳米管(CNT，包括单壁CNT和多壁CNT)、石墨烯、氧化石墨烯、石墨、炭黑(例如Super PTM)等的颗粒。导电聚合物的实例可以包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，导电颗粒包含炭黑，例如，具有大于或等于约50 m2/g (BET)的表面积，如经由Brunauer-Emmett-Teller (BET)方法使用氮气(N2)测量的“总表面积”。一种这样的导电炭黑是可从Imerys Ltd.商购Super PTM炭黑导电填料，其具有大于约63.5 m2/g (BET)的表面积。在某些其它方面，导电颗粒包含碳纳米管(CNT)，其也具有大于或等于约50 m2/g的表面积。在一个变型中，导电碳基材料可以是导电石墨，例如，具有大于或等于约5 m2/g至小于或等于约30 m2/g的表面积，平均直径(D)或D50小于或等于约8微米(µm)。D50表示多个固体颗粒的直径的累计50%点(或50%通过粒度)。这样的导电石墨颗粒可作为TIMCAL TIMREX® KS6合成石墨商购。在另外其它方面，分布在正电极活性层中的导电颗粒可以包含炭黑导电填料颗粒(如Super PTM)和碳纳米管(CNT)两者。
导电颗粒中的每一种可以以正电极活性层总重量的大于或等于约0重量%至小于或等于约10重量%，任选地，大于或等于约0.5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重量%至小于或等于约0.5重量%，或者在可替代的变型中，任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约5重量%存在。
在正电极活性层中所有导电颗粒的累计量可以为大于或等于约0.5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1重量%至小于或等于约6重量%。
在某些方面，正电极电活性材料层的前体可分布在具有载体或溶剂的浆料中，并且可具有大于或等于约1,500至小于或等于约3,500 mPa·s (20 s-1在室温(大约21℃(70℉)下)的粘度。可以将浆料混合或搅拌，然后施加到基材。基材可以是可移除的基材或可替代地是功能性基材，如集流体(如金属栅格或网层)。在一个变型中，可以施加热或辐射以从活性材料膜中蒸发溶剂，留下固体残余物。可以进一步固结电极膜，其中将热和压力施加到膜以烧结并压延它。在其它变型中，可以在中等温度下空气干燥膜以形成自支撑膜。如果基材是可移除的，则将其从活性材料膜移除，然后将活性材料膜进一步层合至集流体。对于任一类型的基材，都可能需要在并入到电池组电池中之前提取或去除剩余的增塑剂。
在某些变型中，如将在下文进一步讨论的，其上可以设置复合活性材料层的正电极集流体可以是膜或箔的形式，例如覆层箔、狭缝网、编织网等。正电极集流体可以包含铝或任何其它合适的金属。正电极集流体可以连接到外部集流体极耳。
无论是正电极还是负电极，在所有加工(包括固结和压延)完成之后，复合活性材料层的孔隙率可以被认为是由孔隙限定的空隙体积占活性材料层的总体积的分数。孔隙率可以是大于或等于约15体积%至小于或等于约50体积%，任选地大于或等于20体积%至小于或等于约40体积%，并且在某些变型中，任选地大于或等于25体积%至小于或等于约35体积%。
在某些制造过程中，在压延和组装成堆叠件之后将聚合物凝胶电解质引入到电极中。多孔复合结构的孔隙可以至少部分地填充有聚合物凝胶电解质，如下文将进一步描述的。在各个方面，聚合物凝胶电解质包含非挥发性聚合物主体和包含溶剂和锂盐的电解质。
负电极活性层54、84可以各自包含负电极活性材料，该材料能够进行锂嵌入和脱嵌、吸收和解吸、合金化和脱合金化、或镀覆和剥离，同时充当电池组30的负电极端子。一般而言，负电极活性层54、84通常包含相同的负电极电活性材料，尽管它们可以具有不同的组成。负电极电活性材料可以是金属层或膜，或者可以包括包含与聚合物粘合剂混合的负电极电活性材料颗粒和任选的多个导电颗粒的复合物。每个负电极活性层54、84可以进一步包含混合或分布在复合电极内的固体电解质和/或凝胶电解质。
在各个方面，负电极电活性材料可以是多个固态电活性颗粒。在某些变型中，负电极的活性层可包含负电极电活性材料，例如石墨、硬碳、软碳、硅、锂-硅和含硅的二元和三元合金和/或含锡合金(例如Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2)、锂金属、锂金属合金等。在某些可替代的实施方案中，预期了锂-钛阳极材料，例如钛氧化物(TiO2)、Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3，包括钛酸锂(Li4Ti5O12) (LTO)。还预期了金属氧化物硫化物，如FeS，或其它接受锂的阳极活性材料。可替代地，负电极电活性材料可以是锂金属或锂金属合金的层。在某些变型中，用于负电极的负电极活性层的负电极电活性材料可以选自：锂、石墨、硅、含硅合金、含锡合金、钛酸锂、及其组合。在某些方面，多个固态负电极电活性颗粒可以包含石墨。
在某些变型中，负电极电活性材料层可以是类似于上述正电极电活性材料层的多孔复合结构。负电极电活性材料层可以包含与聚合物粘合剂基质一起分布的负电极电活性颗粒，以及任选的固态电解质颗粒。聚合物粘合剂可以是以上在正电极的上下文中所描述的任何聚合物粘合剂。
限定负电极活性层的多孔复合结构也可包含导电材料，例如分布在其中的多个导电颗粒，如以上在正电极材料的上下文中所描述的那些。导电颗粒中的每一种可以与以上在正电极的上下文中所规定的相同水平存在于负电极电活性材料层中。
负电极电活性材料层可以形成为在正电极电活性材料的上下文中的浆料浇铸工艺中所描述的多孔复合层。负电极活性层的多孔复合结构的孔隙可以至少部分地填充有将在下文描述的聚合物凝胶电解质。可替代地，负电极电活性材料层可通过经由常规方法如物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积等施加相对无孔的材料层如锂金属而形成。
电池组30还包括设置在各个双极电极60之间和/或一个双极电极60与端电极(例如，端正电极40或端负电极50)之间的隔离件层62。例如，隔离件层62可以设置在正电极活性层例如第一双极电极60上的正电极活性层74与相邻的第二双极电极60的负电极活性层84之间。隔离件层62可以是微孔隔离件、固态电解质层或由聚合物和液体电解质形成的自立式独立的聚合物凝胶层，这意味着它是自支撑的，具有结构完整性，并且可以作为独立的层处理(例如从基材上移出)，而不是仅仅作为在另一元件上形成的涂层。
在某些情况下，隔离件层62可以是包含聚烯烃的微孔聚合物隔离件。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体成分)或杂聚物(衍生自多于一种单体成分)，其可以是线性的或支化的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，则聚烯烃可以采取任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单体成分的杂聚物，则它同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、或PE和PP的共混物、或PE和/或PP的多层结构化多孔膜。市售的聚烯烃多孔隔离件膜包括可获自Celgard LLC的CELGARD® 2500 (单层聚丙烯隔离件)和CELGARD® 2320 (三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离件)。
在某些方面，隔离件层62还可以包括包含陶瓷颗粒的陶瓷涂层和耐热材料涂层中的一个或多个。陶瓷涂层和/或耐热材料涂层可以设置在隔离件层62的一侧或多侧上。形成陶瓷层的材料可以选自：氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)及其组合。耐热材料可以选自：NOMEXTM芳族聚酰胺、ARAMID聚酰胺、及其组合。
当隔离件层62是微孔聚合物隔离件时，它可以是单层或多层层合件，其可以由干法或湿法制造。例如，在某些情况下，单层聚烯烃可以形成整个隔离件层62。在其它方面，隔离件层62可以是具有在相对表面之间延伸的大量孔隙的纤维膜，并且可以具有例如小于一毫米的平均厚度。然而，作为另一实例，可以将多个相似或不相似的聚烯烃的离散层组装起来以形成微孔聚合物隔离件层62。
除了聚烯烃之外，隔离件层62还可以包含其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚(酰胺-酰亚胺)共聚物、聚醚酰亚胺和/或纤维素，或者适于产生所需多孔结构的任何其它材料。聚烯烃层和任何其它任选的聚合物层可进一步作为纤维层包括在隔离件层62中，以帮助提供具有适当的结构特性和孔隙率特性的隔离件26。在某些方面，隔离件层62还可以与陶瓷材料混合，或者其表面可涂覆有陶瓷材料。例如，陶瓷涂层可以包含铝氧化物/氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、钛氧化物/二氧化钛(TiO2)或其组合。预期了用于形成隔离件层62的各种常规可用的聚合物和商业产品，以及可以用于产生这样的微孔聚合物隔离件层62的许多制造方法。
代替传统的隔离件，隔离件层62可以替代地为自立式弹性凝胶隔离件中间层，其可以设置在负电极和正电极之间。这样的聚合物凝胶隔离件层可以是凝胶状固体(或半固体)电解质，其中电解质(例如溶剂中的盐)例如通过经由结合力与周围的聚合物基质相互作用而保持在基质或网络中。凝胶隔离件层可以是多孔的，并且可以在相反极性的电极之间提供电隔离，但是允许离子从中流过。(一个或多个)自立式凝胶隔离件层可以起到电绝缘体和离子导体的作用，并由此消除对传统多孔隔离件层的需要。自立式聚合物凝胶隔离件层可以是多孔的，但具有比常规聚烯烃隔离件相对更低的孔隙率。
在其它变型中，图1中的隔离件层62可以由既充当电解质又充当隔离件的固态电解质(SSE) (未示出)代替。SSE可以设置在各个正电极和负电极之间。SSE促进锂离子的转移，同时机械地分离负电极和正电极并提供负电极和正电极之间的电绝缘。SSE可以是固态无机化合物或固态聚合物电解质。
作为非限制性实例，固态电解质颗粒可包括基于氧化物的固体电解质颗粒、基于硫化物的固体电解质、基于氮化物的固体电解质、基于氢化物的固体电解质、基于卤化物的固体电解质、基于硼酸盐的固体电解质及其组合。更具体地，合适的固体电解质颗粒的实例包括石榴石型氧化物(例如Li7La3Zr2O12 (LLZO))、钙钛矿型(例如Li3xLa2/3-xTiO3)、NASICON型(例如Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3和Li1+xAlxGe2-x(PO4)3，其中0≤x≤2、LISICON型(例如Li2+ 2xZn1-xGeO4，其中0≤x≤1)、金属掺杂或异价取代的氧化物固体电解质，例如Al掺杂或Nb掺杂的Li7La3Zr2O12、Sb掺杂的Li7La3Zr2O12、Ga取代的Li7La3Zr2O12、Cr和V取代的LiSn2P3O12、Al取代的钙钛矿Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12，其中0≤x≤2且0≤y≤3，基于硫化物的固体电解质，例如Li2S-P2S5体系、Li2S-P2S5-MOX体系，其中M为金属元素，如锌(Zn)、锡(Sn)等，且X为2、Li10GeP2S12 (LGPS)、硫代-LISICON (Li3.25Ge0.25P0.75S4)、Li3.4Si0.4P0.6S4、Li10GeP2S11.7O0.3、锂-硫银锗矿Li6PS5X，其中X为卤素，如Cl、Br或I、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、Li9.6P3S12、Li7P3S11、Li9P3S9O3、Li10.35Ge1.35P1.65S12、Li10.35Si1.35P1.65S12、Li9.81Sn0.81P2.19S12、Li10(Si0.5Ge0.5)P2S12、Li10(Ge0.5Sn0.5)P2S12、Li10(Si0.5Sn0.5)P2S12、Li3.833Sn0.833As0.166S4、LiI-Li4SnS4和Li4SnS4、Li3N、Li7PN4、LiSi2N3，基于氢化物的固体电解质，如LiBH4、LiBH4-LiX，其中X为Cl、Br或I、LiNH2、Li2NH、LiBH4-LiNH2、Li3AlH6，基于卤化物的固体电解质，LiI、Li3InCl6、Li2CdCl4、Li2MgCl4、Li2CdI4、Li2ZnI4、Li3OCl，基于硼酸盐的固体电解质，例如Li2B4O7、Li2O-B2O3-P2O5，及其任何组合。除了如上所述在正电极和负电极之间形成电解质层之外，电极本身中可以包含如上所述那些的固体电解质颗粒(例如，与分布在聚合物粘合剂基质内的其它组分混合以形成复合电极)。
在各个方面，锂离子电池组30可以包括能够在相应的负电极和正电极之间传导锂离子的聚合物凝胶电解质92。聚合物凝胶电解质92可以包括在正电极(例如，端正电极40、正电极活性层74)、负电极(例如，端负电极50、负电极活性层84)和多孔隔离件层62中的一个或多个中，例如，设置在它们的孔隙的至少一部分内。然而，在锂离子电池组30中可以使用能够在相应的负电极和正电极之间传导锂离子的附加合适的电解质，无论是固体、液体还是凝胶形式。在某些可替代的方面，除了聚合物凝胶之外，电解质92还可以包含固态电解质颗粒或非水性液体电解质溶液，所述电解质溶液包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐，其流动(并且不与凝胶电解质中的聚合物主体共混物相互作用)。
然而，在某些方面，根据本公开的某些方面制备的电化学电池和电池组可以不含液体电解质，并且仅含有固态和/或半固态或凝胶电解质(聚合物凝胶电解质92)。虽然在本公开的方法中，液体电解质最初用作前体以形成聚合物凝胶电解质，但是例如通过经由氢键、范德华力等与聚合物共混物聚合物结合，液体电解质被吸入聚合物主体中并特别地与聚合物主体相互作用。因此，液体电解质(包含锂盐)被限制并且不再流动，由此通过与周围的聚合物主体基质结合而作为凝胶电解质的一部分。结果是，与在常规隔离件和电极的孔隙内流动的常规液体电解质相比，所并入的液体电解质提供了不流动的性质。通过用不在电池组内流动的不易燃的凝胶电解质代替液体电解质，电池组的热稳定性大大增强。
因此，聚合物凝胶电解质92可以是凝胶状固体(或半固体)电解质，其中电解质(例如溶剂中的盐)保持在基质或网络中。锂离子电池组30中的多孔结构的孔隙可以至少部分地填充有聚合物凝胶电解质92。在各个方面，聚合物凝胶电解质包含非挥发性聚合物电解质(例如，溶剂中的盐)和锂盐。作为实例，聚合物主体可以是聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚偏二氟乙烯共聚物(例如PVdF-六氟丙烯或(PVdF-HFP))、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其低聚物、共聚物和组合。
在某些变型中，聚合物主体可以是聚环氧烷，例如聚环氧乙烷(PEO)或聚环氧丙烷(PPO)。在一个变型中，聚合物主体包含聚环氧乙烷(PEO)。聚合物主体可以以聚合物凝胶电解质总重量的大于0重量%至小于或等于约20重量%、任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约15重量%、任选地大于或等于约2重量%至小于或等于约10重量%、任选地大于或等于约2重量%至小于或等于约8重量%、任选地大于或等于约2重量%至小于或等于约6重量%、任选地大于或等于约4重量%至小于或等于约6重量%存在，例如，以聚合物凝胶电解质总重量的约5重量%存在。
聚合物凝胶电解质92可具有分布于其中的液体电解质，当液体电解质被吸入聚合物主体中时，其形成半固体或不流动的整个凝胶相。分布在聚合物凝胶电解质92内的电解质可以包含锂盐和溶剂。所述锂盐包含锂阳离子(Li+)和至少一种选自以下的阴离子：六氟磷酸根、双(氟磺酰基)亚胺阴离子(FSI)、高氯酸根、四氟硼酸根、环-二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺阴离子(DMSI)、双(草酸根合)硼酸根(BOB)、二氟(草酸根合)硼酸根(DFOB)、双(氟丙二酸根合)硼酸根(BFMB)及其组合。例如，在某些变型中，锂盐可以选自：双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、六氟砷酸盐、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺盐(TFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺盐(BETI)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、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)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiTFO)、环-二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)及其组合。锂盐可包括例如四氟硼酸锂(LiBF4)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)及其组合。在某些变型中，锂盐可包括双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)两者。
每种锂盐各自可以以大于或等于约0.01 M至小于或等于约5 M，任选地大于或等于约0.1 M至小于或等于约1.0 M，任选地大于或等于约0.15 M至小于或等于约0.6 M，任选地约0.5 M存在于电解质中。
聚合物凝胶电解质中存在的所有(一种或多种)锂盐的累计量可以为在液体电解质中大于或等于约0.5 M至小于或等于约10 M，任选地为大于或等于约0.8 M至小于或等于约5 M，任选地大于或等于约0.9 M至小于或等于约2 M，并且在某些方面，任选地为在液体电解质中约1.0 M。
聚合物凝胶电解质中锂盐的累计量可以为聚合物凝胶电解质总重量的大于或等于约10重量%至小于或等于约20重量%。在某些方面，聚合物凝胶电解质中锂盐的累计量可以为锂盐总量的大于或等于约13重量%至小于或等于约17重量%。
在某些变型中，锂盐包含双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)两者。作为实例，在一个变型中，电解质可以包含0.5 M的LITFSI和0.5 M的LiBF4。
电解质中的一种或多种溶剂可溶解锂盐，以实现良好的锂离子传导性。一种或多种溶剂理想地与聚合物主体相容，并且表现出低蒸气压(例如，在25℃下小于约10 mmHg)和高沸点(例如，高于80℃)以对应于电池制造工艺条件。在各个方面，溶剂包括例如碳酸酯溶剂(例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甘油酯、碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-亚丁酯(BC)等)、内酯(例如γ-丁内酯(GBL)、δ-戊内酯等)、腈(例如丁二腈、戊二腈、己二腈等)、砜(例如四亚甲基砜、乙基甲基砜、乙烯基砜、苯基砜、4-氟苯基砜、苄基砜等)、醚(例如三乙二醇二甲基醚(三甘醇二甲醚，G3)、四乙二醇二甲基醚(四甘醇二甲醚，G4)、1,3-二甲氧基丙烷、1,4-二噁烷等)、磷酸酯(例如磷酸三乙酯、磷酸三甲酯等)、离子液体，包含离子液体阳离子(例如1-乙基-3-甲基咪唑鎓([Emim]+)、1-丙基-1-甲基哌啶鎓([PP13]+)、1-丁基-1-甲基哌啶鎓([PP14]+)、1-甲基-1-乙基吡咯烷鎓([Pyr12]+)、1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓([Pyr13]+)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓([Pyr14]+)等)和离子液体阴离子(例如双(三氟甲烷磺酰基)亚胺阴离子(TFSI)、双(氟磺酰基)亚胺阴离子(FS)、聚苯乙烯(PS)等及其组合。
在各个方面，溶剂可以选自例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)和聚苯乙烯(PS)及其组合。在一个变型中，溶剂包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)和聚苯乙烯(PS)。
聚合物凝胶电解质可以包含总计大于或等于约75重量%至小于或等于约99重量%，任选地大于或等于约80重量%至小于或等于约95重量%，或任选地大于或等于约82重量%至小于或等于约90重量%，例如约85重量%的溶剂。例如，在某些变型中，电解质可以包含大于或等于约10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13重量%至小于或等于约17重量%的锂盐总量，以及大于或等于约80重量%至小于或等于约95重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约82重量%至小于或等于约90重量%的溶剂总量。
在某些方面，电解质中可包含三种碳酸酯溶剂，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)和碳酸乙基亚甲酯(EMC)。第一溶剂(例如EC)比第二溶剂(例如DEC)比第三溶剂(例如EMC)的体积比可以为大于或等于约1:1:1。在一个变型中，聚合物凝胶电解质可以包含大于或等于约80重量%至小于或等于约95重量%的溶剂，包括约82重量%至约90重量%的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)的1:1:1体积比混合物，与约1重量%碳酸亚乙烯酯(VC)、约0.5重量%碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)和约1.5重量%聚苯乙烯(PS)。在该溶剂混合物中，可以加入0.5 M LITFSI和0.5 M LiBF4。
在其它方面，聚合物凝胶电解质可以包含离子液体。例如，在某些变型中，电解质可以包含溶剂化的离子液体，其可包括四乙二醇二甲基醚(G4或四甘醇二甲醚)、三乙二醇二甲基醚(G3或三甘醇二甲醚)和上述锂盐中的一种或多种，作为实例，选自以下的锂盐：LiTFSI、LIFSI、LiBETI、LiPF6、LiBOB、LiDFOB、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiTfO及其组合。
在另一变型中，电解质可以包含非质子离子液体，其可具有至少一种选自以下的阳离子：N-甲基-N-丙基哌啶鎓(PP13+)、N-甲基-N-丁基哌啶鎓(PP14+)、N-甲基-N-丙基吡咯烷鎓(Py13+)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMI+)及其组合。非质子离子液体可以具有至少一种选自以下的阴离子：双(氟磺酰基)亚胺阴离子(FSI-)、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺阴离子(TFSI-)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺阴离子(BETI-)、六氟磷酸根(PF6 -)、四氟硼酸根(BF4 -)、三氟甲基磺酸根(TfO-)、二氟硼酸根(DFOB-)及其组合，以及锂离子。
这些离子液体可进一步包含至少一种稀释剂添加剂，包括1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(HFE)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、TTE及其组合。
在某些方面，本公开提供了聚合物凝胶电解质的前体，其可包含聚合物前体(例如单体、低聚物、聚合物)、引发剂和液体电解质，所述液体电解质包含一种或多种锂盐和一种或多种溶剂。在某些方面，前体包含大于0至小于或等于约5重量%的引发剂，例如约0.5重量%的引发剂，大于0至小于或等于约20重量%的聚合物前体物类，例如约5重量%的聚合物前体物类，和大于或等于约80重量%至小于或等于约99重量%的液体电解质，例如约90重量%的液体电解质，其包含溶剂和锂盐两者。聚合物前体的粘度可以使得它是可注射的并且在加工过程中流动，并且可以是液体或半液体。
聚合物前体物类可以是任何上述那些的前体，例如，任何上述聚合物的单体和/或低聚物。液体电解质可以包含任何上述溶剂和锂盐。引发剂可以促进低聚物或其它前体聚合物物类如单体之间的聚合和/或交联反应。合适的引发剂包括过氧化物，例如二(4-叔丁基环己基)过氧化二碳酸酯、过氧化苯甲酰(BPO)、偶氮化合物，例如偶氮双氰胺(azodicyandiamide, ANBI)、过氧化物和还原剂(例如低价金属盐，例如S2O4 2+、Fe2+、Cr3+、Cu+等)。
在各个方面，本公开预期了使用这样的聚合物凝胶电解质的前体以将其注入过渡性软包(pseudo-pouch)中并形成聚合物凝胶基双极电池组的方法。在某些变型中，预期了经由原位聚合形成电池组的方法，例如类似于图2和3中所示的制造过程。图2示出了制造过程的初始步骤，看到电池组电池的预组装部件，而图3示出了在电池组电池部件彼此相邻组装之后的制造过程的后续步骤。如图2(其包括组装前的各种部件)中最佳示出的那样，制造过程可包括提供至少一个双极电极部件110 (图2中示出负电极侧)、端负电极120和端正电极130。电池组还包括至少两个绝缘中间层140，当组装时，其将被设置在相反极性的电极之间以形成堆叠件180 (在图3中最佳示出，其中部件被组装在一起)。如上所述，绝缘层140可以是微孔隔离件、聚合物凝胶隔离件、固态电解质层等。例如，一个绝缘层140可以设置在双极电极部件110的负电极侧和端正电极130(虽然未示出，或者相邻双极电极部件110的正电极，取代端正电极130)之间，并且另一个绝缘层140可以设置在双极电极部件110的正电极侧和端负电极120(虽然未示出，或者相邻双极电极部件110的负电极)之间。
双极电极部件110具有设置在双极集流体115的中心区域114中的电活性材料112，使得围绕集流体115的中心区域114的边缘区域116保持未涂覆。同样，端负电极120具有设置在负电极集流体125的中心区域124中的负电极电活性材料122，而边缘区域126保持未涂覆。如图所示，负电极集流体125限定了极耳128。端正电极130具有设置在正电极集流体135的中心区域134中的正电极电活性材料132，而边缘区域136保持未涂覆。正电极集流体135限定了极耳138。各个部件，即双极电极部件110、端负电极120和端正电极130可以限定靠近/邻近未涂覆的边缘区域116、126、136的四个侧面。
可以将第一阻挡剂组合物的液体或半液体前体160施加到三个侧面各自的末端或边缘区域116、126和136，而留下第四侧面未处理和未涂覆。如将理解的，虽然未示出，但是可以将第一阻挡剂组合物的前体160施加到双极电极部件110末端边缘的负电极侧和正电极侧。
因此，沿着具有第一阻挡剂组合物的前体160的双极电极部件110、端负电极120和端正电极130各自的末端或边缘区域116、126、136的第一侧面、第二侧面和第三侧面可以反应(例如，聚合、固化和/或交联)以形成固体第一阻挡剂组合物160'，使得当组装部件并使其彼此相邻或接触时，第一阻挡剂组合物沿着这三个侧面充当聚合物密封剂。本公开的阻挡剂组合物可以包含聚合物基质的聚合物或聚合物复合材料，所述聚合物基质具有分布在聚合物中的增强材料，其充当电池组内部的密封件，并由此用于保持各种部件，包括设置在其中的任何凝胶(例如凝胶电解质)。值得注意的是，阻挡剂组合物的前体可以暴露于热，或者可以通过使层暴露于光化(例如UV)辐射等而进一步反应。双极电极部件110的第四侧面118 (例如，在正电极侧和负电极侧两者上)、端负电极120的第四侧面129和端正电极130的第四侧面139保持未被第一阻挡剂组合物160涂覆和密封。以这种方式，第四侧面129、118和139提供了进入组装的电池或堆叠件的内部的入口。
如图3中所示，本公开的方法由此可包括首先将双极电极110、端负电极120和端正电极130与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层140一起组装以形成限定四个侧面(在图3的视图中未示出，但在图2的预组装视图中示出)的堆叠件180。该方法包括使第一阻挡剂组合物的前体160反应，以形成密封第一侧面、第二侧面和第三侧面的第一阻挡剂组合物160' (在图3中，仅示出密封底部或第二侧面)。反应可以在大于或等于约60℃至小于或等于约120℃，任选地大于或等于约75℃至小于或等于约100℃下进行大于或等于约5分钟，任选地大于或等于约10分钟，任选地大于或等于约30分钟，和任选地大于或等于约1小时。作为实例，在一个变型中，反应在100℃下进行2小时。密封的三个侧面一起限定可填充的内部区域182。
如184处所示，将聚合物电解质的前体190注入或以其它方式引入到可填充的内部区域182中。聚合物电解质的前体190可以渗入内部区域182中的开放空间或空隙，以及渗入多孔部件内的开放孔隙(例如，多孔电活性材料，多孔绝缘层140内等)。以这种方式，本技术提供了一种新的“软包”，当将聚合物电解质的前体190注入到内部区域中时，该软包最小化或避免了溶剂蒸发。
如186处所示，将第二阻挡剂组合物的前体194施加到沿第四侧面129、118和139的边缘或末端区域。
如188处所示，该方法随后包括使聚合物电解质的前体190反应，以在堆叠件180内形成聚合物电解质190'。该方法还包括使第二阻挡剂组合物的前体194反应，以沿着由堆叠件180限定的第四侧面196形成第二阻挡剂组合物194'的第二聚合物密封剂。在某些方面，该方法包括使聚合物电解质的前体190和第二阻挡剂组合物的前体194同时反应，以同时形成聚合物电解质190'和第二阻挡剂组合物194'。这可以提供用于聚合和密封堆叠件的单个步骤。在该实例中，反应可以在大于或等于约80℃至小于或等于约90℃下进行大于或等于约30分钟至小于或等于约3小时，例如约2小时。在某些变型中，反应可以在约80℃下进行约2小时。以这种方式，第一阻挡剂组合物160'限定第一密封剂，第二阻挡剂组合物194'限定第二密封剂，以限定密封软包。堆叠件180由此被密封，并包括聚合物电解质190'与其它部件。第一阻挡剂组合物的前体160和第二阻挡剂组合物的前体194可以是相同的组合物或不同的组合物。选择第二阻挡剂组合物194的组成，以具有与聚合物凝胶电解质前体190所需的那些相容的反应/聚合条件。
第一阻挡剂组合物160'和第二阻挡剂组合物194'跨越在相应部件的表面之间，例如，在双极电极110(其中存在多个双极电极部件)之间或在双极电极110和端正电极130或端负电极120之间。在一个方面，第一阻挡剂组合物160'和第二阻挡剂组合物194'可以具有独立地选自大于或等于约2微米至小于或等于约200微米的厚度。第一阻挡剂组合物160'和第二阻挡剂组合物194'可以是环氧基复合材料。第一阻挡剂组合物的前体160和第二阻挡剂组合物的前体194可以包含大于或等于约70重量%的环氧树脂和小于或等于约10重量%的固化剂和大于或等于约20重量%的无机填料。环氧树脂可以是具有式(C11H12O3)n的双酚A二缩水甘油醚，其中2≤n≤4，例如由以下结构表示：
。
固化剂可以是基于聚醚胺的固化剂，例如具有由下式表示的结构的(CH3O)nCH7N2：，其中n大于或等于2。无机填料可以选自：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、羟基氧化铝(γ-AlOOH)、二氧化钛(TiO2)及其组合。在一个变型中，第一阻挡剂组合物和第二阻挡剂组合物可以包含约60重量%的双酚A二缩水甘油醚、约15重量%的基于聚醚胺的固化剂和约25重量%的氧化铝(Al2O3)颗粒。
如本领域技术人员将理解的，电池组堆叠件180不限于所示部件的数量、构型或取向，并且还可包括各种附加部件，作为非限制性实例，包括密封件、垫圈、端子板、帽等。
本公开提供的方法提供了在良好密封的软包电池中良好形成的凝胶电解质，所述软包电池最小化或避免了凝胶从堆叠件中泄漏。这样的方法由此经由原位聚合形成包括至少一个双极部件的电池组。与形成凝胶聚合物电解质的传统方法相比，该方法可以有利地使用具有改进的效率和规模化能力的当前生产线。
此外，消除了对洗涤或去除过量聚合物的任何需要，如形成凝胶电解质堆叠件的当前方法所需的。在当前的方法中，初始通过将聚合物喷涂或浸渍在各种部件的表面上来并入聚合物凝胶电解质前体，然后使其聚合或反应。然而，随后，必须通过洗涤集流体的边缘来选择性去除聚合物凝胶电解质，使得其仅保留在中心区域中。在这之后将阻挡剂组合物选择性施加到已去除聚合物凝胶电解质的边缘。这在所有四个侧面上进行，然后通过聚合过程密封堆叠件。然而，该方法涉及许多步骤，其在本发明的方法中可以消除或流水线化。此外，消除了溶剂从聚合物凝胶电解质中的任何减少。
因此，在某些实施方案中，本申请提供了本文中所述的循环锂离子的凝胶辅助双极电池组设计。这样的凝胶辅助双极固态电池组可以是高功率电池组，其提供优异的功率容量、高温耐久性和优异的低温性能，并且特别适合于某些引擎盖下的车辆应用，例如12V启动/停止电池组。该电池组包括具有第一极性的第一端电极，例如正电极或阴极。该电池组还包括具有与第一极性相反的第二极性的第二端电极，例如负电极或阳极。该电池组还包括设置在第一端电极和第二端电极之间的至少一个双极电极组件。双极电极组件具有第一极性的第一电极和与第一极性相反的第二极性的第二电极。第一电极包括第一集流体和第一活性层。第一活性层包含可逆地循环锂离子的第一电活性材料(例如，多个第一电活性材料颗粒)和分布在其中的第一聚合物凝胶电解质。第一活性层还可以包含分布在其中的第一固态电解质(例如，多个固态电解质颗粒)。双极电极组件取向成使得具有第一极性的第一电极面对具有相反的第二极性的第二端电极。
该电池组还包括多个电绝缘但离子传导的隔离中间层，其设置在相反极性的电极之间。
实施例
在一个实施例中，一步聚合和密封过程可以如下进行。将约96.8重量%的液体电解质和约3重量%的聚合物前体组合为凝胶电解质前体。液体电解质包含在EC:DEC:EMC (1:1:1，v:v:v)的溶剂混合物中的0.5M LiBF4和0.5M LiTFSI，余量为约1重量% VC、约0.5重量%VEC和约l.5重量% PS。聚合物前体是聚环氧乙烷(PEO)的单体或低聚物和/或环氧乙烷(EO)单体。在某些变型中，聚合物前体包含PEO低聚物。可以将液体电解质和聚合物前体例如在惰性(氩气)气氛中以约200 rpm的混合速度混合约10至12小时。接着，将约0.2重量%的引发剂加入到混合物中，并且可以在惰性(Ar)气氛中进一步混合约3小时或更长的时间段。然后可以将该凝胶电解质前体溶液注入到预先用第一环氧基阻挡剂组合物在三个侧面上密封的部件堆叠件中。接着，可以将第二环氧基阻挡剂组合物施加到堆叠件的顶部边缘，随后进行反应过程，例如将具有凝胶电解质前体的堆叠件暴露于80℃约2小时。这导致良好形成的凝胶电解质而无泄漏。
在不同性能倍率(在25℃下1C，2C，5C和10C)下对该软包电池的测试显示出至少70%的容量保留，即使在10C倍率下也是如此。类似地，还观察到在低温(-18℃)下良好的放电性能。有利地，尽管在80℃下经历第二阻挡剂组合物和凝胶电解质的一步共聚过程，但是对软包中的电池组电池的性能没有负面影响。
已经出于说明和描述的目的提供了前面的实施方案的描述。其并非意在穷举或限制本公开。特定实施方案的独立要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适当的情况下可以互换，并且即使并未具体示出或描述，也可以在所选实施方案中使用。其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意在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.经由原位聚合形成电池组的方法，所述方法包括：
将第一阻挡剂组合物前体施加到至少一个双极电极、端负电极和端正电极的选定边缘区域；
将所述至少一个双极电极、所述端负电极和所述端正电极与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成限定第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的堆叠件；
使所述第一阻挡剂组合物前体反应以形成第一阻挡剂组合物，所述第一阻挡剂组合物密封所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面一起限定可填充的内部区域；
将聚合物电解质的前体注入到所述可填充的内部区域中；
将第二阻挡剂组合物前体施加到所述第四侧面的末端区域；以及
使所述聚合物电解质的前体和所述第二阻挡剂组合物的前体同时反应，以在所述堆叠件内形成聚合物电解质，并沿所述第四侧面形成第二阻挡剂组合物，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物限定了包括所述堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含所述聚合物电解质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物电解质的前体和所述第二阻挡剂组合物的前体同时反应在大于或等于约80℃至小于或等于约90℃下进行大于或等于约30分钟至小于或等于约3小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自具有独立地选自大于或等于约2微米至小于或等于约200微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一阻挡剂组合物和所述第二阻挡剂组合物各自包含大于或等于约70重量%的环氧树脂、小于或等于约10重量%的固化剂和大于或等于约20重量%的无机填料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述环氧树脂包含双酚A二缩水甘油醚，固化剂包含基于聚醚胺的化合物，并且所述无机填料选自：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、羟基氧化铝(γ-AlOOH)、二氧化钛(TiO2)及其组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物凝胶电解质包含聚合物主体、至少一种锂盐和至少一种溶剂，其中所述聚合物凝胶电解质具有大于0重量%至小于或等于约20重量%的聚合物主体、大于或等于约10重量%至小于或等于约20重量%的至少一种锂盐、以及大于或等于约80重量%至小于或等于约99重量%的至少一种溶剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物主体选自：聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚偏二氟乙烯共聚物(例如，PVdF-六氟丙烯或(PVdF-HFP))、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、其低聚物、共聚物和组合，并且所述至少一种锂盐选自：双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、六氟砷酸盐、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺盐(TFSI)、双(五氟乙烷磺酰基)亚胺盐(BETI)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、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)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiTFO)、环-二氟甲烷-1,1-双(磺酰基)亚胺锂(LiDMSI)、双(单氟丙二酸根合)硼酸锂(LiBFMB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟化锂(LiF)、二氟(草酸根合)硼酸锂(LiDFOB)及其组合，并且所述至少一种溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)和聚苯乙烯(PS)，及其组合，在一个变型中，所述溶剂包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)、碳酸乙基亚甲酯(EMC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸二亚甲酯(DMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、聚苯乙烯(PS)及其组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个双极电极包括多个双极电极，并且将所述第一阻挡剂组合物前体施加到所述多个双极电极中的每一个的选定边缘区域。
9.经由原位聚合形成电池组的方法，所述方法包括：
将第一环氧基阻挡剂组合物前体施加到至少一个双极电极、端负电极和端正电极的选定边缘区域；
将所述至少一个双极电极、所述端负电极和所述端正电极与至少两个设置在相反极性的电极之间的绝缘中间层一起组装以形成限定第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的堆叠件；
使所述第一环氧基阻挡剂组合物前体反应以形成第一环氧基阻挡剂组合物，所述第一环氧基阻挡剂组合物密封所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面一起限定可填充的内部区域；
将聚合物电解质的前体注入到所述可填充的内部区域中；
将第二环氧基阻挡剂组合物前体施加到所述第四侧面的末端区域；以及
使所述聚合物电解质的前体和所述第二环氧基阻挡剂组合物的前体同时反应，以在所述堆叠件内形成聚合物电解质和沿所述第四侧面形成第二环氧基阻挡剂组合物，其中所述聚合物凝胶电解质包含聚合物主体和溶剂混合物，所述聚合物主体包含聚环氧烷、双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和四氟硼酸锂(LiBF4)，所述溶剂混合物包含碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二亚乙酯(DEC)和碳酸乙基亚甲酯(EMC)，其中所述第一环氧基阻挡剂组合物和所述第二环氧基阻挡剂组合物限定了包括所述堆叠件的密封软包，所述堆叠件包含所述聚合物电解质。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述聚环氧烷包括聚环氧乙烷(PEO)，所述电解质包含约0.5 M的双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和约0.5 M的四氟硼酸锂(LiBF4)，在所述溶剂混合物中碳酸亚乙酯(EC)比碳酸二亚乙酯(DEC)比碳酸乙基亚甲酯(EMC)的体积比为约1:1:1，并且所述聚合物凝胶电解质包含大于或等于约82重量%至小于或等于约90重量%的所述溶剂混合物，并且所述聚合物凝胶电解质还包含所述聚合物凝胶电解质总重量的约1重量%的碳酸亚乙烯酯(VC)、所述聚合物凝胶电解质总重量的约0.5重量%的碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)和所述聚合物凝胶电解质总重量的约1.5重量%的聚苯乙烯。
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