CN118044005A - 固态电化学电池单元 - Google Patents

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CN118044005A CN202280066151.XA CN202280066151A CN118044005A CN 118044005 A CN118044005 A CN 118044005A CN 202280066151 A CN202280066151 A CN 202280066151A CN 118044005 A CN118044005 A CN 118044005A
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Abstract

公开了一种固态电化学电池单元。在示例中，电池单元包括阴极集流体、布置在阴极集流体上的烧结阴极层、布置在烧结阴极层上的烧结电解质层、布置在烧结电解质层上的烧结阳极层和布置在阳极层上的阳极集流体。本文还描述了制造所述固态电化学电池单元、包括多个所述固态电化学电池单元的电池堆以及包括固态电化学电池单元或电池堆的电动装置的方法。

Description

固态电化学电池单元
技术领域
本发明涉及固态电化学电池单元、制造固态电化学电池单元的方法、包括多个固态电化学电池单元的电池堆以及包括固态电化学电池单元的电动装置。
背景技术
制造固态二次(可充电)电池单元是一个复杂且至今十分昂贵的过程。制造固态二次电池单元通常涉及在彼此顶部顺序沉积非常薄的活性材料层，然后堆叠多个这些元件以提供电池堆。然而，由于这些元件的尺寸和形状因素，这种堆叠过程困难且耗时，有很多出错的机会。
此外，固态电化学电池单元的前体材料通常在本质上是反应性的，导致在固态电化学电池单元的制造过程中需要真空、惰性或严格湿度控制的氛围。
发明内容
在本发明第一方面的示例中，提供了一种固态电化学电池单元，其包括阴极集流体、布置在阴极集流体上的烧结阴极层、布置在烧结阴极层上的烧结电解质层、布置在烧结电解质层上的烧结阳极层和布置在阳极层上的阳极集流体。
发明人已经确定，如上所述的固态电化学电池单元可以具有改善的界面接触，从而通过固态电化学电池单元提供改善的导电性。
此外，发明人已经确定，根据这些示例的包括较大厚度的阴极和/或阳极的固态电化学电池单元可以具有与较薄厚度的未烧结阴极和阳极相当的导电性。更厚的阴极和/或阳极为固态电化学电池单元提供了更大的容量。因此，需要较少的固态电化学电池单元来提供合适容量的电池堆，从而简化了制造电池堆的方法。
烧结阴极层包含阴极材料。在示例中，阴极材料包括、基本上由或由以下组成:锂镍锰氧化物(LiNi0.5Mn1.5O4)，通常称为LNMO；锂钴氧化物(LiCoO2)，通常称为LCO；锂锰氧化物(LiMn2O4)，通常称为LMO；钛酸锂(Li4Ti5O12)，通常称为LTO)；锂镍锰钴氧化物(LiNi1-x- yMnxCoyO2)，通常称为NMC；磷酸铁锂(LiFePO4)，通常称为LFP；锂镍钴铝氧化物(LiNi1-x- yCoxAlyO2)，通常称为NCA；硫化锂(Li2S)；银钒氧化物(AgV2O5.5)，通常称为SVO；或者它们的组合。在特定示例中，阴极材料包括LNMO，基本上由或由LNMO组成。
在示例中，阴极层还包含粘合剂、导电添加剂、烧结剂或其组合。
烧结电解质层包括电解质材料，通常为陶瓷材料。在实例中，电解质材料包括、基本上由或由以下组成:钙钛矿型锂离子导体；反钙钛矿型锂离子导体；石榴石型锂离子导体；钠超离子锂离子导体(NASICON)；与NASICON相关的锂离子导体；锂超离子导体(LISICON)；与LISICON相关的锂离子导体；thio-LISICON；与thio-LISICON相关的锂离子导体；锂磷氧氮化物(LiPON)；磷酸锂铝钛(Li1·3Al0·3Ti1·7(PO4)3，通常称为LATP)、相关的无定形玻璃状锂离子导体或其组合。在特定示例中，电解质材料包括LATP，基本上由或由LNMO组成。
在示例中，烧结电解质层还包含粘合剂、导电添加剂、烧结剂或其组合。
烧结阳极层包含阳极材料。在示例中，阳极材料包括硅、碳、氧化铟锡(ITO)、二氧化钼(MoO2)、钛酸锂(Li4Ti5O12-通常称为LTO)、锂合金、金属锂或其组合，或基本由其组成。在阳极包含碳的情况下，阳极包含任何合适的碳基材料。例如，阳极包括石墨、石墨烯、硬碳、活性炭和/或炭黑。在特定示例中，阳极材料包括LTO，基本上由或由LNMO组成。
在示例中，烧结阳极层还包含粘合剂、导电添加剂、烧结剂或其组合。
固态电化学电池单元的电极以层的形式提供。层在第一维度(厚度)、第二维度(长度)和第三维度(宽度)上延伸。典型地，层的厚度是其最小尺寸，层的长度是其最大尺寸，尽管这不是必须的。在第一方面的示例中，层的第一尺寸(例如厚度)在烧结层在固态电化学电池单元中堆叠的方向上延伸。“厚度”可以指层的总厚度，或者层的一部分的厚度(例如第一维度上的范围)。
在示例中，烧结阴极层包括电解质材料。例如，电解质材料沿着烧结阴极层的厚度分散。烧结阴极层的一部分包含沿该部分的厚度分散的电解质材料。通常，电解质材料也沿着烧结阴极层的部分的宽度和长度分散。
有利的是，发明人已经发现至少部分包含电解质材料的阴极层提高了通过固态电化学电池单元的电导率。因此，包含电解质材料的阴极层可以具有更大的厚度，同时避免因厚度增加而导致电导率降低。
在示例中，电解质材料沿烧结阴极层厚度的浓度朝向烧结电解质层降低。在包含电解质材料的部分中，电解质材料的浓度沿着该部分的厚度朝向烧结电解质层降低。在这些示例中的一些示例中，烧结阴极层包括邻接烧结电解质层的部分，该部分基本上不含电解质材料。因此，烧结阴极层包括含有电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分。在示例中，包含电解质材料的部分邻接阴极集流体。基本上不含电解质材料的部分比包含电解质材料的部分更接近烧结电解质材料。包含电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分各自具有小于烧结阴极层厚度的厚度(例如在第一维度上的范围)。这些部分具有相同或不同的厚度。在示例中，包含电解质材料的部分的厚度大于基本上不含电解质材料的部分的厚度。
在其他示例中，电解质材料沿着烧结阴极层厚度的浓度朝向烧结电解质层增加。在包含电解质材料的部分中，电解质材料的浓度朝向烧结电解质层增加。在这些示例中的一些示例中，烧结阴极层包括邻接阴极集流体的部分，该部分基本上不含电解质材料。因此，烧结阴极层包括含有电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分。基本上不含电解质材料的部分比包含电解质材料的部分更靠近阴极集流体。在示例中，包含电解质材料的部分邻接烧结电解质层。包含电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分各自具有小于烧结阴极层厚度的厚度(例如在第一维度上的范围)。这些部分具有相同或不同的厚度。在示例中，包含电解质材料的部分的厚度大于基本上不含电解质材料的部分的厚度。
在示例中，烧结阴极层包括按烧结阴极层的干重计的约1％至30％的电解质材料，或10％至20％。
在示例中，烧结阳极层包括电解质材料。例如，电解质材料沿着烧结阳极层的厚度分散。烧结阳极层的一部分包含沿该部分厚度分散的电解质材料。通常，电解质材料也沿着烧结阳极层的部分的宽度和长度分散。
与烧结阴极层一样，发明人已经发现至少部分包含电解质材料的烧结阳极层提高了通过固态电化学电池单元的电导率。因此，包含电解质材料的阳极层可以具有更大的厚度，同时避免因厚度增加而导致电导率降低。
在示例中，电解质材料沿烧结阳极层厚度的浓度朝向烧结电解质层降低。在包含电解质材料的部分中，电解质材料的浓度沿着该部分的厚度朝向烧结电解质层降低。在这些示例中的一些示例中，烧结阳极层包括邻接烧结电解质层的部分，该部分基本上不含电解质材料。因此，烧结阳极层包括含有电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分。在示例中，包含电解质材料的部分邻接阳极集流体。基本上不含电解质材料的部分比包含电解质材料的部分更接近烧结电解质材料。包含电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分各自具有小于烧结阳极层厚度的厚度(例如在第一维度上的范围)。这些部分具有相同或不同的厚度。在示例中，包含电解质材料的部分的厚度大于基本上不含电解质材料的部分的厚度。
在其他示例中，电解质材料沿着烧结阳极层厚度的浓度朝着烧结电解质层增加。在包含电解质材料的部分中，电解质材料的浓度朝向烧结电解质层增加。在这些示例中的一些示例中，烧结阳极层包括邻接阳极集流体的部分，该部分基本上不含电解质材料。因此，烧结阳极层包括含有电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分。基本上不含电解质材料的部分比包含电解质材料的部分更靠近阳极集流体。在示例中，包含电解质材料的部分邻接烧结电解质层。包含电解质材料的部分和基本上不含电解质材料的部分各自具有小于烧结阳极层厚度的厚度(例如在第一维度上的范围)。这些部分具有相同或不同的厚度。在示例中，包含电解质材料的部分的厚度大于基本上不含电解质材料的部分的厚度。
在示例中，烧结阳极层包含按烧结阳极层的干重计的约1％至30％的电解质材料，或10％至20％。
在特定示例中，烧结阴极层和烧结阳极层都包括电解质材料。烧结阴极层和烧结阳极层包括含有电解质材料的部分，其中电解质材料分散遍及该部分的长度、宽度和厚度。
在示例中，烧结阴极层和烧结阳极层中电解质材料的浓度向烧结电解质层增加。例如，烧结阴极层和烧结阳极层各自包含子层，其中每个子层中电解质的浓度大于距烧结电解质层更远的相邻子层，并且小于距烧结电解质层更近的相邻子层。
在一些示例中，烧结阴极层包括基本上不含电解质材料的部分，该部分邻接阴极集流体，和/或，烧结阳极层包括基本上不含电解质材料的部分，该部分邻接阳极集流体。在示例中，烧结阴极层和烧结阳极层的包括电解质材料的部分邻接烧结电解质层。
在其他示例中，烧结阴极层和烧结阳极层中电解质材料的浓度向烧结电解质层降低。例如，烧结阴极层和烧结阳极层各自包含子层，其中每个子层中电解质的浓度小于距烧结电解质层更远的相邻子层，并且大于距烧结电解质层更近的相邻子层。
在一些示例中，烧结阴极层包括基本上不含电解质材料的部分，该部分邻接烧结电解质层，和/或，烧结阳极层包括基本上不含电解质材料的部分，该部分邻接烧结电解质层。在示例中，烧结阴极层和烧结阳极层包含电解质材料的部分分别邻接阴极集流体和阳极集流体。
在示例中，烧结电解质层基本上不含阴极材料和/或阳极材料。
在本公开第二方面的示例中，提供了一种制造固态电化学电池单元的方法。该方法包括提供前体层压结构，该前体层压结构包括:包含阴极前体的阴极前体层；包含电解质前体的电解质前体层；和包含阳极前体的阳极前体层。该方法还包括烧结前体层压结构以提供包含阴极层、电解质层和阳极层的烧结层压结构。
发明人已经发现，包括多个单独烧结然后再组合的烧结层的固态电化学电池单元通常性能降低(例如容量降低和/或电导率降低)。不希望被理论所束缚，发明人认为这(至少部分地)是由于层之间的界面接触不良，这是由单独烧结的层的表面粗糙度造成的。
然而，通过一起提供多个前体层，然后根据第二方面将它们烧结在一起，改善了层之间的界面接触，从而提供了改善的性能(例如改善的容量和/或改善的导电性)。
烧结通常包括加热前体材料和/或使前体材料经受增加的压力(例如大于1atm的压力)，使得前体聚结成固体(例如整体)层而不经历液化。合适的烧结技术是技术人员已知的。在示例中，烧结包括将前体层压结构加热到低于前体层压结构中包含的前体材料的最低熔点的温度。
根据该方面，阴极前体层、电解质前体层和阳极前体层同时烧结(例如共烧结)以提供烧结的层压结构。
阴极前体是通过经受化学或物理处理而提供阴极材料的材料。例如，经历烧结过程的阴极前体提供阴极材料。
类似地，电解质前体是通过经受化学或物理处理而提供电解质材料的材料。例如，经历烧结过程的电解质前体提供阴极材料。此外，阳极前体是通过经受化学或物理处理而提供阳极材料的材料。例如，经历烧结过程的阳极前体提供阳极材料。
在示例中，前体的化学组分对应于和/或相同于由前体的化学或物理处理提供的材料。
在示例中，阴极前体包括、基本上由或由以下组成:锂镍锰氧化物(LiNi0.5Mn1.5O4)，通常称为LNMO；锂钴氧化物(LiCoO2)，通常称为LCO；锂锰氧化物(LiMn2O4)，通常称为LMO；钛酸锂(Li4Ti5O12)，通常称为LTO)；锂镍锰钴氧化物(LiNi1-x- yMnxCoyO2)，通常称为NMC；磷酸铁锂(LiFePO4)，通常称为LFP；锂镍钴铝氧化物(LiNi1-x- yCoxAlyO2)，通常称为NCA；硫化锂(Li2S)；银钒氧化物(AgV2O5.5)，通常称为SVO；或者它们的组合。在特定示例中，阴极前体包括LNMO，基本上由或由LNMO组成。
在实例中，电解质材料包括、基本上由或由以下组成:钠超离子锂离子导体(NASICON)；与NASICON相关的锂离子导体；锂超离子导体(LISICON)；与LISICON相关的锂离子导体；thio-LISICON；与thio-LISICON相关的锂离子导体；锂磷氧氮化物(LiPON)；磷酸锂铝钛(Li1·3Al0·3Ti1·7(PO4)3，通常称为LATP)；或其组合。在特定示例中，电解质前体包括LATP，基本上由或由LNMO组成。
在示例中，阳极前体包括氧化铟锡(ITO)、二氧化钼(MoO2)、钛酸锂(Li4Ti5O12-通常称为LTO)、锂合金、金属锂或其组合，或基本由其组成。在特定示例中，阳极前体包括LTO，基本上由或由LNMO组成。
在特定示例中，阴极前体包括LNMO，基本上由或由LNMO组成；电解质前体包括LATP，基本上由或由LATP组成；并且阳极前体包含LTO，基本上由或由LTO组成。
由于前体层的组分之间熔化温度的差异，同时烧结多个前体层具有挑战性。然而，本发明人已经确定，LNMO、LATP和LTO特别适合用于同时烧结工艺，使得在相同的烧结条件下可以实现前体层压结构中阴极前体、电解质前体和阳极前体的层的可接受烧结。
在示例中，阴极前体层、电解质前体层和/或阳极前体层还包含粘合剂、导电添加剂、烧结剂或其组合。
前体以任何合适的形式提供。例如，一种或多种前体以粉末形式提供。因此，前体层包括前体粉末层，该前体粉末层经历烧结过程以提供包含活性材料的整体烧结层。
在示例中，提供前体层压结构包括提供阴极前体层(例如将阴极前体沉积在基板上)，在阴极前体层上提供电解质前体层以提供电解质前体层(例如在阴极前体层上沉积电解质前体以提供邻接阴极前体层的电解质前体层)，以及在电解质前体层上提供阳极前体层(例如在电解质前体层上沉积阳极前体以提供邻接电解质前体层的阳极前体层)，从而提供前体层压结构。因此，前体层压结构包括阳极前体层、电解质前体层、阴极前体层和阴极集流体前体层。
提供阴极前体层、电解质前体层和阳极前体层包括任何合适的沉积方法。
在示例中，沉积包括物理气相沉积。物理气相沉积(PVD)是真空沉积的一个示例，指的是一种过程，其中冷凝材料被蒸发，然后蒸发材料的至少一些在基底上冷凝以提供冷凝层。PVD的示例包括热沉积(也称为蒸发沉积)和溅射。
在示例中，沉积包括化学气相沉积。化学气相沉积(CVD)是真空沉积的一个示例，指的是将衬底暴露于一种或多种挥发性前体的过程，这些前体在衬底表面上反应和/或分解以产生层。CVD的示例包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
在示例中，沉积包括电泳沉积。电泳沉积是指悬浮在液体介质中的胶体颗粒在电场(电泳)的影响下迁移并沉积在基底上的过程。电泳沉积的示例包括电涂、电沉积、电泳涂覆和电泳涂装。
在示例中，沉积包括铸造。铸造的示例包括喷射铸造、薄板铸造和旋转铸造。在示例中，沉积包括丝网印刷。
在示例中，前体层压结构还包括阴极集流体前体和/或阳极集流体前体。在这些示例中，提供前体层压结构包括向阴极前体层提供阴极集流体前体，以提供与电解质前体层相对的阴极集流体前体层，和/或向阳极前体层提供阳极集流体前体，以提供与电解质前体层相对的阳极集流体前体层。因此，前体层压结构包括阳极集流体前体层、阳极前体层、电解质前体层和阴极前体层。阳极集流体前体层和/或阳极前体层根据任何合适的方法提供，例如上文关于提供阴极、阳极和电解质前体层所述的那些方法。
在示例中，前体层压结构包括阳极集流体前体层、阳极前体层、电解质前体层、阴极前体层和阴极集流体前体层。
在示例中，阳极集流体前体和/或阴极集流体前体包括氮化钛(TiN)，基本上由氮化钛组成或由氮化钛组成。
在示例中，该方法包括向烧结层压结构提供阴极集流体和/或阳极集流体，例如阴极集流体的未烧结部分和/或阳极集流体的未烧结部分。在示例中，阴极集流体的未烧结部分和/或阳极集流体的未烧结部分包括金属箔(例如铜、钨、镍、铂或不锈钢)。
在示例中，阴极集流体和/或阳极集流体包括烧结部分和未烧结部分。例如，该方法包括提供包含阳极集流体前体层、阳极前体层、电解质前体层、阴极前体层和阴极集流体前体层的前体层压结构，烧结该前体层压结构以提供包含烧结阳极集流体层、烧结阳极层、烧结电解质层、烧结阴极层和烧结阴极集流体层的层压结构，向烧结的阳极集流体层提供阳极集流体的未烧结部分，从而提供包含烧结部分和未烧结部分的阳极集流体，并向烧结的阴极集流体层提供阴极集流体的未烧结部分，从而提供包含烧结部分和未烧结部分的阴极集流体。
在示例中，阴极前体层和/或阳极前体层包括电解质前体。发明人已经发现，在阴极前体层和/或阳极前体层中提供电解质前体解决了每层具有其自身烧结温度(例如材料烧结的温度)的问题。
通常，电解质前体比阳极和/或阴极前体需要更高的烧结温度。在阳极和/或阴极前体层中提供电解质材料意味着前体层压结构可以被加热到更高的温度，而阳极和/或阴极前体基本不熔化。不希望受到理论的束缚，发明人认为分散在整个阳极和/或阴极前体层中的电解质材料从周围的阳极和/或阴极前体吸收热能，使得阳极和/或阴极前体可以被加热到高于其通常的熔点的温度而不会发生明显的熔化。
在示例中，阴极前体层包括电解质前体。例如，提供阴极前体层包括提供阴极前体和电解质前体的混合物，以提供阴极前体层的包含阴极前体和电解质前体的至少一部分。
在示例中，电解质前体沿着阴极前体层的厚度分散。例如，提供阴极前体和电解质前体的混合物一段时间，使得提供包括阴极前体和电解质前体的厚度。
在示例中，首先提供阴极前体层，然后提供电解质前体层，然后提供阳极前体层。
在示例中，电解质材料沿阴极前体层厚度的浓度朝向电解质前体层降低。在这些示例中，提供给基底的阴极前体和电解质前体的混合物中电解质前体的浓度随时间降低，从而提供电解质前体的浓度从层的底部到顶部降低的层。在示例中，该方法还包括在阴极前体和电解质前体的混合物的顶部上提供基本上不含电解质前体的阴极前体。
在其他示例中，电解质材料沿着阴极前体层厚度的浓度朝向电解质前体层增加。在这些示例中，提供给基底的阴极前体和电解质前体的混合物中电解质前体的浓度随时间增加，从而提供电解质前体的浓度从层的底部到顶部增加的层。在示例中，该方法包括在将阴极前体和电解质前体的混合物提供在基本上不含电解质前体的层的顶部之前，向基底提供基本上不含电解质前体的阴极前体。
在示例中，阳极前体层包括电解质前体。例如，提供阳极前体层包括提供阳极前体和电解质前体的混合物，以提供阳极前体层的包含阳极前体和电解质前体的至少一部分。
在示例中，电解质前体沿着阳极前体层的厚度分散。例如，阳极前体和电解质前体的混合物被提供一段时间，使得提供包括阳极前体和电解质前体的厚度。
在示例中，电解质材料沿阳极前体层厚度的浓度朝向电解质前体层降低。在这些示例中，被提供给基底的阳极前体和电解质前体的混合物中电解质前体的浓度随时间增加(如果混合物被提供给已经沉积的电解质前体层)，从而提供电解质前体的浓度从层的底部到顶部降低的层。在示例中，该方法还包括在阳极前体和电解质前体的混合物的顶部上提供基本上不含电解质前体的阳极前体。
在其他示例中，电解质材料沿着阳极前体层厚度的浓度朝向电解质前体层增加。在这些示例中，被提供给基底的阳极前体和电解质前体的混合物中电解质前体的浓度随时间降低(如果混合物被提供给已经沉积的电解质前体层)，从而提供电解质前体的浓度从层的底部到顶部增加的层。在示例中，该方法包括在基本不含电解质前体的层的顶部上提供基本不含电解质的阳极前体。
在示例中，该方法还包括沿着与烧结层压结构的层基本正交的平面将烧结层压结构的第一部分与烧结层压结构的第二部分分离，以提供多个固态电化学电池单元。
在本公开第三方面的示例中，提供了一种可由根据第二方面的方法获得的固态电化学电池单元。
在本发明第四方面的示例中，提供了一种烧结层压材料，其包括阴极层、电解质层和阳极层。在示例中，烧结层压材料可从根据第二方面的方法获得。在示例中，烧结层压材料的阴极层、电解质层和阳极层对应于根据第一方面的固态电化学电池单元的阴极层、电解质层和阳极层。因此，关于第一方面描述的特征在可应用的程度上关于第四方面被明确公开。
在本公开的另一方面的示例中，提供了一种包括多个根据第一或第三方面的固态电化学电池单元的电池堆。
多个电池单元可适当地包括2、3、4、5或多于5个电化学电池单元。所述电池堆通常包括多个如本文所述的电化学电池单元。
在示例中，电池堆是“背对背(back-to-back)”电池堆。例如，两个电池单元的阴极被布置成接触单个集流体。因此，在多个电化学电池单元包括第一固态电化学电池单元和第二固态电化学电池单元的示例中，第一电池单元的阴极集流体也是第二电池单元的阴极集流体。
在本公开的又一方面的示例中，提供了一种电动装置，其包括本文所述的固态电化学电池单元或本文所述的电池堆。电动装置是从包括电池单元或电池堆的电路中提取电能的任何设备，将来自电池单元或电池堆的电能转换成其他形式的能量，例如机械功、热、光等。在示例中，电动装置是智能手机、手机、个人数字助理、收音机播放器、音乐播放器、摄像机、平板电脑、笔记本电脑、军事通信、军事照明、军事成像、卫星、飞机、微型飞行器、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆、全电动车辆、电动滑板车、水下车辆、船、轮船、电动花园拖拉机、无人驾驶航空无人机、无人驾驶飞机、遥控汽车，机器人玩具、真空吸尘器(例如机器人真空吸尘器)、机器人园艺工具、机器人建筑设施、机器人警报系统、机器人老龄护理单元、机器人儿童护理单元、电钻、电动割草机、电动真空吸尘器、电动金属加工研磨机、电热枪、电动压力机膨胀工具、电锯或切割机、电动打磨机和抛光机、电动剪切机和咬边机、电动铣、电动牙刷，电动吹风机、电动干手器、全球定位系统(GPS)装置、激光测距仪、手电筒(手电)、电动路灯、备用电源、不间断电源或其他便携式或固定式电子装置。
在此描述的与本公开的一个方面相关的特征结合其他方面被明确公开，只要它们兼容。
本发明的其他特征和优点将从下面仅以举例的方式给出的本发明的优选实施例的描述中变得显而易见，所述描述是参照附图进行的。
附图说明
图1、2、3和4是根据示例的固态电化学电池单元的横截面示意图。
图5是根据示例制造固态电化学电池单元的方法的流程图。
图6、7、8和9是根据示例的方法的示意性流程图，描绘了固态电化学电池单元前体和固态电化学电池单元在该方法中各点处的横截面。
图10是根据示例的电池堆的横截面示意图。
图11是根据示例的电动装置的示意图。
具体实施方式
图1是根据示例的固态电化学电池单元100的横截面示意图。固态电化学电池单元100包括阴极集流体102、邻接阴极集流体102的烧结阴极层104、邻接烧结阴极层104的烧结电解质层106、邻接烧结电解质层106的烧结阳极层108和邻接烧结阳极层108的阳极集流体110。
图2是根据示例的固态电化学电池单元200的横截面示意图。固态电化学电池单元200包括阴极集流体202、邻接阴极集流体202的烧结阴极层204、邻接烧结阴极层204的烧结电解质层206、邻接烧结电解质层206的烧结阳极层208和邻接烧结阳极层208的阳极集流体210。
烧结阴极层204包括沿着烧结阴极层204的厚度214设置的电解质材料212。电解质材料212的浓度沿着烧结阴极层204的厚度214从阴极集流体202向烧结电解质层206增加(例如，电解质材料212沿着烧结阴极层204的厚度214的浓度沿着图2中箭头216所示的方向增加)。换句话说，电解质材料212的浓度沿着烧结阴极层204的厚度214从烧结电解质层206向阴极集流体202降低。
图2中所示的烧结阴极层204包括邻接阴极集流体202的部分218，该部分基本上不含电解质材料212。包含电解质材料212的烧结阴极层204的厚度214可称为阴极-电解质层；邻接阴极集流体202的部分218可称为仅阴极(cathode-only)层。在其他示例中(未示出)，烧结阴极层204不包括邻接阴极集流体202的部分218，该部分218基本上不含电解质材料212。
图3是根据示例的固态电化学电池单元300的横截面示意图。固态电化学电池单元300包括阴极集流体302、邻接阴极集流体302的烧结阴极层304、邻接烧结阴极层304的烧结电解质层306、邻接烧结电解质层306的烧结阳极层308和邻接阳极层308的阳极集流体310。
烧结阴极层304包括沿着烧结阴极层304的厚度314设置的电解质材料312。电解质材料312的浓度沿着烧结材料的厚度314从阴极集流体302向烧结电解质层306降低。换句话说，电解质材料312的浓度沿着烧结阴极层304的厚度314从烧结电解质层306向阴极集流体302增加(例如，电解质材料312的浓度沿着烧结阴极层304的厚度314在图3中箭头316所示的方向上增加)。
烧结阴极层304包括邻接烧结电解质层306的部分318，该部分318基本上不含电解质材料312。包含电解质材料312的烧结阴极层304的厚度314可称为阴极-电解质层；邻接烧结电解质层306的部分318可被称为仅阴极层。在其他示例中(未示出)，烧结阴极层304不包括邻接烧结阴极层304的部分318，该部分318基本上不含电解质材料312。
图4是根据示例的固态电化学电池单元400的横截面示意图。除了阳极层408包括电解质材料312之外，图4所示的固态电化学电池单元400对应于图2所示的固态电化学电池单元200。图4所示的固态电化学电池单元400中与图2所示的固态电化学电池单元相对应的特征用比图2中附图标记增加200的附图标记表示。
烧结阳极层408包括沿着烧结阳极层408的厚度420设置的电解质材料412。电解质材料412的浓度沿着烧结阳极层404的厚度420从阳极集流体410向烧结电解质层406增加(例如，电解质材料412的浓度沿图4中箭头422所示的方向增加)。换句话说，电解质材料412的浓度沿着烧结阳极层408的厚度420从烧结电解质层406向阳极集流体410降低。
烧结阳极层408包括基本上不含电解质材料412的部分424。包含电解质材料412的烧结阴极层408的厚度420可称为阳极电解质层；邻接阳极集流体410的部分424可被称为仅阳极层。
在图中未示出的固态电化学电池单元的其他示例中，固态电化学电池单元包括包含电解质材料的烧结阳极层和基本上不含电解质材料的烧结阴极层。在示例中，烧结阳极层中包含的电解质材料以与上文提及的任何示例中教导的相同方式分散在整个层中。
图5是根据示例制造固态电化学电池单元的方法500的流程图。方法500包括提供502前体层压结构。前体层压结构包括阴极前体层(包含阴极前体)、邻接阴极前体层的电解质前体层(包含电解质前体)和邻接电解质前体层的阳极前体层(包含阳极前体)。下面结合图6至9讨论提供前体层压结构的示例性方法。
方法500还包括烧结504前体层压结构以提供烧结层压结构，该烧结层压结构包括阴极层(烧结阴极层)、电解质层(烧结电解质层)和阳极层(烧结阳极层)。根据上文描述的任何合适的方法进行烧结。
在示例中(未示出)，该方法还包括在阳极层上提供阳极集流体，并在阴极层上提供阴极集流体。
图6是根据示例制造固态电化学电池单元的方法600的示意性流程图，描绘了固态电化学电池单元前体和固态电化学电池单元在该方法中各点处的横截面。图6所示的方法600对应于图5所示的方法500，用于制造图1所示的固态电化学电池单元100。当图6中描述的方法或固态电化学电池单元的构成部分与图1和5中描述的构成部分对应时，使用相同的附图标记。当图6中的部件是图1中所示部件的前体时，使用相同的附图标记加上字母“a”。
方法600包括提供阴极前体层104a(例如包括将阴极前体沉积到衬底上)，在阴极前体层104a上沉积602电解质前体以提供电解质前体层106a，以及在电解质前体层104a上沉积604阳极前体以提供阳极前体层108a。沉积前体材料以提供前体层104a、106a、108a包括丝网印刷工艺。在其他示例中(未示出)，前体材料的沉积包括上文描述的任何沉积技术。
阴极前体层104a、电解质前体层106a和阳极前体层108a合起来是层压前体。因此，提供阴极前体层104a、沉积602电解质前体和沉积604阳极前体对应于提供502如图5所示的前体层压结构。
烧结504包括阴极前体层104a、电解质前体层106a和阳极前体层108a的层压前体，以提供包括阴极层104、电解质层106和阳极层108的烧结层压结构。
方法600还包括在阴极层104上提供606阴极集流体102和在阳极层108上提供阳极集流体110，从而提供图1所示的固态电化学电池单元100。
图7是根据示例制造固态电化学电池单元的方法700的示意性流程图，描绘了固态电化学电池单元前体和固态电化学电池单元在该方法中各点处的横截面。图7所示的方法700对应于图5所示的方法500，用于制造图2所示的固态电化学电池单元200。当图7中描述的方法或固态电化学电池单元的构成部分与图2和5中描述的构成部分对应时，使用相同的附图标记。当图7中的部件是图2中所示部件的前体时，使用相同的附图标记加上字母“a”。
方法700包括提供阴极前体层204a(例如包括在衬底上沉积阴极前体)。在该方法的这个阶段，阴极前体层204a基本上不含电解质材料，因此是对应于图2所示固态电化学电池单元200的烧结阴极层204的基本上不含电解质材料212的部分218的前体218a。
方法700还包括在阴极前体层204a的基本上不含电解质材料的部分218a上沉积702阴极前体和电解质前体212a，以提供阴极-电解质前体层。阴极-电解质前体层包括阴极前体和电解质前体212a，并且总体上是对应于图2的固态电化学电池单元200的阴极层204的包括电解质材料212的厚度214的前体。沉积702包括向部分218a提供阴极前体和电解质前体的混合物。在该示例中，阴极前体和电解质前体的混合物中电解质前体的浓度在沉积期间逐渐增加，使得电解质前体沿着层厚度的浓度随着层的形成而增加(例如，电解质前体的浓度在远离基本上不含电解质前体212a的部分218a的方向上增加)。基本上不含电解质前体212a的部分218a和阴极-电解质前体层合起来是对应于图2所示固态电化学电池单元200的阴极层204的前体204a。在阴极前体和电解质前体的混合物沉积期间电解质前体浓度的逐渐增加也可以描述为提供一系列阴极-电解质子层。所提供的每个子层中电解质前体的浓度大于该子层沉积于其上的更早沉积的子层中电解质前体的浓度。
方法700还包括在阴极前体层204a上沉积704电解质材料(基本上不含阴极前体)以提供电解质前体层206a，以及在电解质前体层204a上沉积706阳极前体以提供阳极前体层208a。沉积前体材料以提供前体层204a、206a、208a包括丝网印刷工艺。
阴极前体层204a(包括基本上不含电解质前体212a的部分218a和阴极-电解质前体层)、电解质前体层206a和阳极前体层208a合起来是层压前体。因此，提供基本上不含电解质前体212a的阴极前体层218a、沉积702阴极前体和电解质前体的混合物、沉积704电解质前体(基本上不含阴极前体)以及沉积706阳极前体对应于提供502如图5所示的前体层压结构。
烧结504包含阴极前体层204a、电解质前体层206a和阳极前体层208a的层压前体，以提供包含阴极层204(阴极层204包含包含电解质材料212的部分和基本上不含电解质材料218的部分)、电解质层206和阳极层208的烧结层压结构。
方法700还包括在阴极层204上提供708阴极集流体202和在阳极层208上提供阳极集流体210，从而提供图2所示的固态电化学电池单元200。
图8是根据示例制造固态电化学电池单元的方法800的示意性流程图，描绘了固态电化学电池单元前体和固态电化学电池单元在该方法中各点处的横截面。图8所示的方法800对应于图5所示的方法500，用于制造图4所示的固态电化学电池单元400。当图8中描述的方法或固态电化学电池单元的构成部分与图4和5中描述的构成部分对应时，使用相同的附图标记。当图8中的部件是图4中所示部件的前体时，使用相同的附图标记加上字母“a”。
方法800包括提供阴极前体层404a的基本上不含电解质前体412a的部分418a，在部分418a上沉积802阴极前体和电解质前体的混合物，以及以与图7所示相同的方式在阴极前体和电解质前体的混合物上沉积804电解质前体(基本上不含阴极前体)。
该方法还包括在电解质前体层406a上沉积806阳极前体和电解质前体的混合物以提供阳极-电解质前体层。阳极-电解质前体层包括阳极前体和电解质前体412a，并且总体上是对应于图4的固态电化学电池单元400的阳极层408的包括电解质材料212的厚度420的前体。沉积806包括向电解质前体层406a提供阳极前体和电解质前体的混合物。在该示例中，阳极前体和电解质前体的混合物中电解质前体的浓度在沉积期间逐渐降低，使得电解质前体沿着层厚度的浓度随着层的形成而降低(例如电解质前体的浓度在远离电解质前体层406a的方向上降低)。如前所述，在阳极前体和电解质前体的混合物沉积过程中电解质前体浓度的逐渐降低可以描述为提供一系列阳极-电解质子层。所提供的每个子层中电解质前体的浓度小于该子层沉积于其上的更早沉积的子层中电解质前体的浓度。
该方法还包括在阳极-电解质前体层上沉积808基本不含电解质材料的阳极前体，从而提供对应于图4的固态电化学电池单元400的烧结阳极层408的基本不含电解质材料412的部分424的前体424a。
阴极前体层404a(包括基本上不含电解质前体412a的部分418a，和阴极-电解质前体层)、电解质前体层406a和阳极前体层408a(包括阳极-电解质前体层和基本上不含电解质前体412a的部分424a)合起来是层压前体。因此，提供基本不含电解质前体412a的阴极前体层418a、沉积802阴极前体和电解质前体的混合物、沉积804电解质前体(基本不含阴极前体)、沉积806阳极前体和电解质前体的混合物以及沉积808阳极前体(基本不含电解质材料)对应于提供502如图5所示的前体层压结构。
烧结504包含阴极前体层404a、电解质前体层406a和阳极前体层408a的层压前体，以提供包含阴极层404(阴极层404包括包含电解质材料412的部分414和基本不含电解质材料412的部分418)、电解质层406和阳极层408(阳极层408包括包含电解质材料412的部分420和基本不含电解质材料412的部分424)的烧结层压结构。
方法800还包括在阴极层404上提供810阴极集流体402和在阳极层408上提供阳极集流体410，从而提供图4所示的固态电化学电池单元400。
图9是根据示例制造固态电化学电池单元的方法900的示意性流程图，描绘了固态电化学电池单元前体和固态电化学电池单元在该方法中各点处的横截面。图9中描述的方法900是提供图1中描述的固态电化学电池单元100的方法的另一个示例。当图9中描述的方法或固态电化学电池单元的构成部分与图1和5中描述的构成部分对应时，使用相同的附图标记。当图6中的部件是图1中所示部件的前体时，使用相同的附图标记加上字母“a”。
如图6所描述的，通过例如提供阴极前体层104a、在阴极前体层上沉积602电解质前体以提供电解质前体层106a以及在电解质前体层上沉积604阳极前体以提供阳极前体层108a，以提供包括阴极前体层104a、电解质前体层106a和阳极前体层108a的层压材料。
方法900还包括在阴极前体层104a上沉积902阴极集流体前体以提供阴极集流体前体层，以及在阳极前体层108a上沉积阳极集流体前体以提供阳极集流体前体层110a。
在其他示例中(未示出)，首先提供阴极集流体前体层102a，然后在阴极集流体前体层102a上沉积阴极前体以提供阴极前体层104a。
阴极集流体前体层102a、阴极前体层104a、电解质前体层106a、阳极前体层108a和阳极集流体前体层合在一起是层压前体。因此，该方法的上述部分对应于提供502如图5所示的前体层压结构。
烧结504层压前体以提供烧结层压结构，该烧结层压结构包括阴极集流体102b的烧结部分、烧结阴极层104、烧结电解质层106、烧结阳极层108和阳极集流体110b的烧结部分。
方法900还包括在阴极集流体102b的烧结部分上提供904集流体102c的未烧结部分(从而提供阴极集流体102)，并在阳极集流体110b的烧结部分上提供阳极集流体110c的未烧结部分(从而提供阳极集流体102)。集流体102、110各自包括烧结部分102b、110b和未烧结部分102c、110c。
在其他示例中(未示出)，省略了提供904集流体的未烧结部分，使得固态电化学电池单元100的集流体102、110仅包括烧结的集流体部分102b、110b(例如集流体102、110不包括未烧结的集流体部分102c、110c)。
图10示出了包括多个电化学电池单元100w、100x、100y、100z的电池堆1000的一个示例的横截面。如图10所示，多个电池单元包括第一电池单元100w、第二电池单元100x、第三电池单元100y和第四电池单元100z。电池堆1000的其他示例实际上仅需要包括至少两个电化学电池单元；图10中所示的电池单元的数量纯粹是示例性的。还明确公开了关于图10的描述和教学，涉及根据本公开包括任何数量的电化学电池单元的任何电池堆，只要所述教学和所述电池组在技术上兼容。
每个电池单元100w、100x、100y、100z对应于图1所示的电池单元100。每个电池单元100w、100x、100y、100z的部件使用图1中使用的相同编号来标记，以指示部件在等效位置，附加“w”、“x”、“y”或“z”以指示包含其的电池单元。
电池堆1000是“背对背”电池堆，其中电池堆中每隔一个电池单元反转，使得每个集流体在每个相对面上具有阳极或在每个相对面上具有阴极。具体而言，在图1000中，第一电池单元100w的烧结阳极层108w和第二电池单元100x的烧结阳极层108x布置在阳极集流体110w/110x的相对面上。阳极集流体110w/110x包括外部导电表面，因此被配置为在该层的两个面上形成电极，例如第一电池单元100w的阳极集流体110w和第二电池单元100x的阳极集流体110x。因此，第一电池单元100w的阳极集流体110w是第二电池单元100x的阳极集流体110x。经必要的改动，这同样适用于第三电池单元100w的阳极集流体110y和第四电池单元100z的阳极集流体110z。
第二电池单元100x的烧结阴极层104x和第三电池单元100y的烧结阴极层100y布置在阴极集流体102x/102y的相对面上。阴极集流体102x/102y包括外部导电表面，因此被配置成在该层的两个面上形成电极，例如第二电池单元100x的阴极集流体102x和第三电池单元100y的阴极集流体102y。尽管未在图10中示出，但如果电池堆1000中包括另外的电化学电池单元，经必要的改动，这同样适用于第一电池单元100w的烧结阴极层104w和阴极集流体102w，以及经必要的改动适用于第四电池单元100z的烧结阴极层104z和阴极集流体102z。
图11是根据示例的电动装置的示意图。电动装置1100包括图1所示的固态电化学电池单元100。在示例中(未示出)，固态电化学电池单元是图2所示的固态电化学电池单元200、图3所示的固态电化学电池单元300或图4所示的固态电化学电池单元400。在示例中(未示出)，固态电化学电池单元100、200、300、400作为电池堆的一部分提供，例如图10所示的电池堆1000。
电动装置包括元件1102，该元件将来自固态电化学电池单元100的电能转换成另一种形式的能量(例如机械功、热、光等)。固态电化学电池单元100和元件1102通过一个或多个电导管1104连接，在示例中，电导管1104形成电路。
上述实施例应被理解为本发明的说明性示例。设想本发明的其他实施例。应当理解，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用或与所描述的其它特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例或其他实施例的任何组合的一个或多个特征组合使用。此外，在不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，也可以采用上面未描述的等同物和修改。

Claims (22)

1.一种固态电化学电池单元，包括:
阴极集流体；
烧结阴极层，布置在所述阴极集流体上；
烧结电解质层，布置在所述烧结阴极层上；
烧结阳极层，布置在所述烧结电解质层上；
和阳极集流体，布置在阳极层上；
2.根据权利要求1所述的固态电化学电池单元，其中，所述烧结阴极层包括电解质材料。
3.根据权利要求2所述的固态电化学电池单元，其中，所述电解质材料沿着所述烧结阴极层的厚度分散。
4.根据权利要求3所述的固态电化学电池单元，其中，所述电解质材料沿着烧结阴极层厚度的浓度朝向所述烧结电解质层降低。
5.根据权利要求4所述的固态电化学电池单元，其中，所述烧结阴极层包括邻接所述烧结电解质层的部分，该部分基本上不含电解质材料。
6.根据权利要求3所述的固态电化学电池单元，其中，所述电解质材料沿着烧结阴极层厚度的浓度朝向所述烧结电解质层增加。
7.根据权利要求6所述的固态电化学电池单元，其中，所述烧结阴极层包括邻接所述阴极集流体的部分，该部分基本上不含电解质材料。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的固态电化学电池单元，其中，所述烧结阴极层包括以所述烧结阴极层的干重计的约1％至30％的电解质材料。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的固态电化学电池单元，其中，所述阳极层包括电解质材料。
10.一种制造固态电化学电池单元的方法，包括:
提供前体层压结构，所述前体层压结构包括:
阴极前体层，包含阴极前体；
电解质前体层，包含电解质前体；和
阳极前体层，包含阳极前体；以及
烧结所述前体层压结构以提供包括阴极层、电解质层和阳极层的烧结层压结构。
11.据权利要求10所述的方法，所述前体层压结构还包括阴极集流体前体和/或阳极集流体前体。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，包括向所述烧结层压结构提供阴极集流体和/或阳极集流体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述阴极集流体和/或阳极集流体包括烧结部分和未烧结部分。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所述阴极前体层包括电解质前体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电解质前体沿着所述阴极前体层的厚度分散。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，电解质材料沿阴极前体层厚度的浓度朝向所述电解质前体层降低。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，电解质材料沿着阴极前体层厚度的浓度朝向所述电解质前体层增加。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，包括沿着与所述烧结层压结构的层基本正交的平面将所述烧结层压结构的第一部分与所述烧结层压结构的第二部分分离，以提供多个固态电化学电池单元。
19.一种固态电化学电池单元，能够由根据权利要求10至18中任一项所述的方法获得。
20.一种烧结层压材料，包括阴极层、阴极层上的电解质层和电解质层上的阳极层。
21.一种电池堆，包括多个根据权利要求1至9中任一项所述的固态电化学电池单元。
22.一种电动装置，包括根据权利要求1至9中任一项所述的固态电化学电池单元或根据权利要求21所述的电池堆。
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