DE102020125123A1

DE102020125123A1 - SOLID STATE ELECTROLYTES AND PROCESSES FOR THEIR PRODUCTION

Info

Publication number: DE102020125123A1
Application number: DE102020125123.8A
Authority: DE
Inventors: Zhe Li; Yong Lu; Xiaochao Que; Haijing Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2040-09-26
Also published as: DE102020125123B4

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Festkörperelektrolyte und Verfahren zu deren Herstellung. Das Verfahren umfasst das Mischen eines Sulfatvorläufers, der Li₂SO₄ und/oder Li₂SO₄·H2O enthält, mit einem oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien. Die erste Mischung wird kalziniert, um einen Elektrolytvorläufer zu bilden, der mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten gemischt wird, um den Festkörperelektrolyten zu bilden. Wenn das Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder den mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien in der ersten Mischung etwa 1:2 beträgt, besteht der Elektrolytvorläufer im Wesentlichen aus Li₂S. Wenn das Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder den mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien in der ersten Mischung weniger als etwa 1:2 beträgt, ist der Elektrolytvorläufer ein zusammengesetzter Vorläufer, der einen Festkörperkondensatorcluster mit dem einen oder den mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien und eine Sulfidbeschichtung mit Li₂S enthält, die auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen des Festkörperkondensatorclusters angeordnet ist.

The present disclosure relates to solid electrolytes and methods of making the same. The method comprises mixing a sulfate precursor containing Li ₂ SO ₄ and/or Li ₂ SO ₄ ·H 2 O with one or more carbonaceous capacitor materials. The first mixture is calcined to form an electrolyte precursor that is mixed with one or more additional components to form the solid electrolyte. When the ratio of the sulfate precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials in the first mixture is about 1:2, the electrolyte precursor consists essentially of Li ₂ S. When the ratio of the sulfate precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials in the first mixture is less than about 1:2, the electrolyte precursor is a composite precursor that includes a solid capacitor cluster including the one or more carbonaceous capacitor materials and a sulfide coating including Li ₂ S disposed on one or more exposed surfaces of the solid capacitor cluster.

Description

EINLEITUNGINTRODUCTION

Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf sulfidhaltige Festkörperelektrolyte und sulfidhaltige Festkörper-Verbundelektrolyte sowie elektrochemische Zellen und Elektroden, die diese enthalten, und Verfahren zu deren Herstellung oder Erzeugung.The present disclosure relates to solid-state sulfide-containing electrolytes and composite solid-state sulfide-containing electrolytes and electrochemical cells and electrodes containing the same and methods of making or producing the same.

Fortschrittliche Energiespeichervorrichtungen und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, wozu unter anderem Automobilprodukte wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“) gehören. Typische Lithiumionen-Batterien umfassen mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden dient als positive Elektrode oder Kathode, und die andere Elektrode dient als negative Elektrode oder Anode. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physikalisch trennen, so dass ein separater Separator nicht erforderlich ist.Advanced energy storage devices and systems are in demand to meet the energy and/or power needs of a variety of products, including but not limited to automotive products such as stop-start systems (e.g., 12V stop-start systems), battery-backed systems, hybrid electric vehicles (“HEVs”) and electric vehicles (“EVs”). Typical lithium ion batteries include at least two electrodes and an electrolyte and/or separator. One of the two electrodes serves as a positive electrode or cathode and the other electrode serves as a negative electrode or anode. A separator and/or electrolyte can be arranged between the negative and the positive electrode. The electrolyte is suitable for the conduction of lithium ions between the electrodes and, like the two electrodes, can be in solid and/or liquid form and/or a hybrid thereof. In the case of solid state batteries containing solid electrodes and a solid electrolyte, the solid electrolyte can physically separate the electrodes such that a separate separator is not required.

Festkörperbatterien bieten mehrere Vorteile, wie z.B. als nicht einschränkende Beispiele eine lange Haltbarkeit bei geringer Selbstentladung, den Betrieb mit einfachen Wärmemanagementsystemen, einen reduzierten Bedarf an Verpackung und höhere Energiedichten über größere Temperaturbereiche. Darüber hinaus sind Festkörperelektrolyte im Allgemeinen nicht flüchtig und nicht entflammbar, so dass die Zellen unter härteren Bedingungen zyklisch betrieben werden können, ohne dass es zu einer Verminderung des Potenzials oder zu thermischem Ausreißen kommt, was bei der Verwendung von Flüssigelektrolyten potenziell auftreten kann. Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis sind wegen ihrer superionischen Leitfähigkeit (z.B. bis zu etwa 10^-2 S/cm) und ihrer Verformbarkeit attraktiv. Viele Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis (wie z.B. L₁₇P₃S₁₁) haben jedoch unerschwinglich hohe Kosten. Dementsprechend wäre es wünschenswert, Festkörperelektrolytmaterialien und -methoden auf Sulfidbasis zu entwickeln, die eine wünschenswerte Leitfähigkeit und Verformbarkeit sowie Erschwinglichkeit aufweisen.Solid state batteries offer several advantages such as, as non-limiting examples, long shelf life with low self-discharge, operation with simple thermal management systems, reduced packaging requirements, and higher energy densities over wider temperature ranges. In addition, solid electrolytes are generally non-volatile and non-flammable, allowing the cells to be cycled under more severe conditions without the potential degradation or thermal runaway that can potentially occur when using liquid electrolytes. Sulfide-based solid electrolytes are attractive because of their superionic conductivity (eg, up to about 10 ^-2 S/cm) and their malleability. However, many sulfide-based solid electrolytes (such as L ₁₇ P ₃ S ₁₁ ) are prohibitively expensive. Accordingly, it would be desirable to develop sulfide-based solid electrolyte materials and methods that exhibit desirable conductivity and malleability, as well as affordability.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Dieser Abschnitt bietet eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.This section provides a general summary of the disclosure and is not an exhaustive disclosure of its full scope or all of its features.

In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten bereit. Das Verfahren beinhaltet das Mischen eines Sulfatvorläufers mit einem oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien, um eine erste Mischung zu bilden. Der Sulfatvorläufer umfasst Lithiumsulfat (Li₂SO₄) und/oder Lithiumsulfathydrat (Li₂SO₄·H₂O). Das Verfahren umfasst ferner das Kalzinieren der ersten Mischung bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 700 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C für einen ersten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 24 Stunden, um einen Li₂S enthaltenden Elektrolytvorläufer zu bilden. Der Elektrolytvorläufer wird zur Bildung des Festkörperelektrolyten mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten gemischt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Phosphorpentasulfid (P₂S₅), Germaniumsulfid (GeS₂), Siliciumdisulfid (SiS₂), Zinn(IV)-sulfid (SnS₂), Arsenpentasulfid (AS₂S₅), Nickelsulfid (Ni₃S₂), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumchlorid (LiCI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumjodid (Lil), Schwefel (S), Phosphor (P) und Kombinationen davon.In various aspects, the present disclosure provides a method of making a solid electrolyte. The method includes mixing a sulfate precursor with one or more carbonaceous capacitor materials to form a first mixture. The sulfate precursor includes lithium sulfate (Li ₂ SO ₄ ) and/or lithium sulfate hydrate (Li ₂ SO ₄ ·H ₂ O). The method further includes calcining the first mixture at a temperature of greater than or equal to about 700°C to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours to form an electrolyte precursor containing Li ₂ S. The electrolyte precursor is mixed with one or more additional components selected from the group consisting of: phosphorus pentasulfide (P ₂ S ₅ ), germanium sulfide (GeS ₂ ), silicon disulfide (SiS ₂ ), tin(IV) to form the solid electrolyte. -sulfide (SnS ₂ ), arsenic pentasulfide (AS ₂ S ₅ ), nickel sulfide (Ni ₃ S ₂ ), lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCI), lithium bromide (LiBr), lithium iodide (Lil), sulfur (S), phosphorus ( P) and combinations thereof.

In einem Aspekt kann das Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien in der ersten Mischung etwa 1:2 betragen.In one aspect, the ratio of the sulfate precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials in the first mixture can be about 1:2.

In einem Aspekt kann der Elektrolytvorläufer im Wesentlichen aus Lithiumsulfid (Li₂S) bestehen.In one aspect, the electrolyte precursor may consist essentially of lithium sulfide (Li ₂ S).

In einem Aspekt kann der Festkörperelektrolyt im Wesentlichen aus einem oder mehreren Elektrolytmaterialien bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₆Cl, Li₇P₂S₈I, Li₄PS₄l, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li,₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ und Kombinationen davon.In one aspect, the solid electrolyte may consist essentially of one or more electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ I, Li ₄ PS ₄ l, Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _{10 , 7} I _0.3 , Li, ₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof.

In einem Aspekt kann ein Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien in der ersten Mischung weniger als etwa 1:2 betragen.In one aspect, a ratio of the sulfate precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials in the first mixture can be less than about 1:2.

In einem Aspekt kann der Elektrolytvorläufer ein zusammengesetzter Vorläufer sein, der einen Festkörperkondensatorcluster und eine auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen des Festkörperkondensatorclusters angeordnete Sulfidbeschichtung enthält. Der Festkörperkondensatorcluster kann ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Kondensatormaterialien enthalten. Die Sulfidbeschichtung kann Lithiumsulfid (Li₂S) enthalten.In one aspect, the electrolyte precursor can be a composite precursor comprising a Solid state capacitor cluster and a sulfide coating arranged on one or more exposed surfaces of the solid state capacitor cluster. The solid state capacitor cluster may include one or more carbonaceous capacitor materials. The sulfide coating may contain lithium sulfide (Li ₂ S).

In einem Aspekt kann der Festkörperelektrolyt ein Verbundelektrolyt sein, der einen Festkörperkondensatorcluster und eine Sulfidbeschichtung enthält, die auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen des Festkörperkondensatorclusters angeordnet ist. Der Festkörperkondensatorcluster kann ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Kondensatormaterialien enthalten. Die Sulfidbeschichtung kann ein oder mehrere Elektrolytmaterialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄l, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, L1₁₁S1₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ und Kombinationen davon.In one aspect, the solid electrolyte may be a composite electrolyte that includes a solid capacitor cluster and a sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the solid capacitor cluster. The solid state capacitor cluster may include one or more carbonaceous capacitor materials. The sulfide coating may contain one or more electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₅ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , L1 ₁₁ S1 ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof.

In einem Aspekt kann der Festkörperelektrolyt mehr als etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien und mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% der Sulfidbeschichtung enthalten.In one aspect, the solid electrolyte can comprise greater than about 0% to less than or equal to about 60% by weight of the carbonaceous capacitor materials and greater than or equal to about 40% to less than or equal to about 100% by weight contained in the sulfide coating.

In einem Aspekt kann die Sulfidbeschichtung eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben. Der Festkörperelektrolyt kann einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 2 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.In one aspect, the sulfide coating can have a thickness of greater than or equal to about 1 nm to less than or equal to about 50 μm. The solid electrolyte can have an average particle diameter of greater than or equal to about 2 nm to less than or equal to about 100 μm.

In einem Aspekt können das eine oder die mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Aktivkohle (AC), Graphen, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) und Kombinationen davon besteht.In one aspect, the one or more carbonaceous capacitor materials may be selected from the group consisting of activated carbon (AC), graphene, porous carbon, carbon nanotubes (CNT), and combinations thereof.

In einem Aspekt kann das Mischen des Elektrolytvorläufers mit der einen oder den mehreren zusätzlichen Komponenten das Mahlen einer zweiten Mischung, die den Elektrolytvorläufer und die eine oder die mehreren zusätzlichen Komponenten enthält, bei einer Drehzahl von mehr als oder gleich etwa 50 U/min bis weniger als oder gleich etwa 1500 U/min für einen zweiten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 72 Stunden umfassen; und Erhitzen der gemahlenen zweiten Mischung auf eine zweite Temperatur größer oder gleich etwa 100 °C bis kleiner oder gleich etwa 1200 °C für einen ersten Zeitraum von größer oder gleich etwa 10 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 24 Stunden, um den Festkörperelektrolyten zu bilden.In one aspect, mixing the electrolyte precursor with the one or more additional components can include milling a second mixture containing the electrolyte precursor and the one or more additional components at a speed greater than or equal to about 50 rpm to less greater than or equal to about 1500 rpm for a second time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 72 hours; and heating the milled second mixture to a second temperature of greater than or equal to about 100°C to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours to form the solid electrolyte.

In einem Aspekt kann das Mischen der Elektrolytvorstufe mit der einen oder mehreren zusätzlichen Komponenten das Dispergieren der Elektrolytvorstufe und der einen oder mehreren zusätzlichen Komponenten in einem Lösungsmittel umfassen, um eine Dispersion zu bilden; und das Entfernen der Flüssigkeit aus der Dispersion, indem die zweite Mischung einer zweiten Temperatur von mehr als oder gleich etwa 50 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C für einen ersten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 48 Stunden ausgesetzt wird, um den Festkörperelektrolyten zu bilden.In one aspect, mixing the electrolyte precursor with the one or more additional components may include dispersing the electrolyte precursor and the one or more additional components in a solvent to form a dispersion; and removing the liquid from the dispersion by subjecting the second mixture to a second temperature of greater than or equal to about 50°C to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 48 hours to form the solid electrolyte.

In einem Aspekt kann das Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Tetrahydrofuran, Acetonitril, Hydrazin, Methanol, Ethanol, Ethylacetat, N-Methylformamid, 1,2-Dimethyoxyethan und Kombinationen davon.In one aspect, the solvent can be selected from the group consisting of: tetrahydrofuran, acetonitrile, hydrazine, methanol, ethanol, ethyl acetate, N-methylformamide, 1,2-dimethyloxyethane, and combinations thereof.

In einem Aspekt kann das Mischen des Elektrolytvorläufers mit der einen oder mehreren zusätzlichen Komponenten ferner das Erhitzen einer zweiten Mischung, die den Elektrolytvorläufer und die eine oder mehreren zusätzlichen Komponenten enthält, auf eine zweite Temperatur von mehr als oder gleich etwa 100 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C für einen ersten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 24 Stunden und das Abschrecken der zweiten Mischung auf eine dritte Temperatur von mehr als oder gleich etwa -100 °C bis weniger als oder gleich etwa 100 °C umfassen, um den Festkörperelektrolyten zu bilden.In one aspect, mixing the electrolyte precursor with the one or more additional components can further include heating a second mixture containing the electrolyte precursor and the one or more additional components to a second temperature of greater than or equal to about 100°C to less than or equal to about 1200°C for a first time of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours and quenching the second mixture to a third temperature of greater than or equal to about -100°C to less than or equal to equal to about 100°C to form the solid electrolyte.

In einem Aspekt schließt das Mischen des Sulfatvorläufers, der Lithiumsulfat (Li₂SO₄) und/oder Lithiumsulfathydrat (Li₂SO₄·H₂O) enthält, mit dem einen oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien zur Bildung der ersten Mischung einen Mahlprozess ein.In one aspect, mixing the sulfate precursor containing lithium sulfate (Li ₂ SO ₄ ) and/or lithium sulfate hydrate (Li ₂ SO ₄ .H ₂ O) with the one or more carbonaceous capacitor materials to form the first mixture includes a milling process.

In einem Aspekt umfasst das Mischen des Sulfatvorläufers, der Lithiumsulfat (Li₂SO₄) und/oder Lithiumsulfathydrat (Li₂SO₄·H₂O) enthält, mit dem einen oder den mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien zur Bildung der ersten Mischung das Dispergieren des Sulfatvorläufers und des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien in einem Lösungsmittel zur Bildung einer Suspension und die tropfenweise Zugabe eines Fällungsmittels zu der Suspension.In one aspect, mixing the sulfate precursor containing lithium sulfate (Li ₂ SO ₄ ) and/or lithium sulfate hydrate (Li ₂ SO ₄ .H ₂ O) with the one or more carbonaceous capacitor materials to form the first mixture includes dispersing the sulfate precursor and the one or more carbonaceous capacitor materials in a solvent to form a suspension and adding a precipitating agent dropwise to the suspension.

In verschiedenen anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein zusammengesetztes Festkörperelektrolytmaterial mit einer Vielzahl von Elektrolytteilchen bereit. Jedes Elektrolytteilchen enthält einen Festkörperkondensatorcluster und eine Sulfidbeschichtung, die auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen des Festkörperkondensatorclusters angeordnet ist. Der Festkörperkondensatorcluster enthält ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Kondensatormaterialteilchen. Jedes Elektrolytteilchen kann mehr als etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialteilchen und mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% der Sulfidbeschichtung enthalten.In various other aspects, the present disclosure provides a composite solid electrolyte material having a plurality of electrolyte particles. Each particle of electrolyte holds a solid state capacitor cluster and a sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the solid state capacitor cluster. The solid state capacitor cluster contains one or more carbonaceous capacitor material particles. Each electrolyte particle may contain greater than about 0% to less than or equal to about 60% by weight of the carbonaceous capacitor material particles and greater than or equal to about 40% to less than or equal to about 100% by weight of the sulfide coating .

In einem Aspekt kann das eine oder die mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialteilchen aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Aktivkohle (AC), Graphen, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Kombinationen davon besteht; und die Sulfidbeschichtung kann ein oder mehrere Elektrolytmaterialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₆Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄l, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ und Kombinationen davon.In one aspect, the one or more carbonaceous capacitor material particles can be selected from the group consisting of activated carbon (AC), graphene, porous carbon, carbon nanotubes (CNTs), and combinations thereof; and the sulfide coating may contain one or more electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _{3, 25} Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof.

In einem Aspekt kann die Sulfidbeschichtung eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und jedes Elektrolytteilchen kann einen mittleren Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 2 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.In one aspect, the sulfide coating can have a thickness of greater than or equal to about 1 nm to less than or equal to about 50 microns, and each electrolyte particle can have an average particle diameter of greater than or equal to about 2 nm to less than or equal to about 100 microns .

Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.Further areas of application will emerge from the description given here. The description and specific examples in this summary are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

Figurenlistecharacter list

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist ein Beispiel für eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Festkörperzelle mit einem sulfidhaltigen Festkörperelektrolyten, der gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde; und
2 ist ein Beispiel für eine schematische Darstellung eines sulfidhaltigen Festkörperelektrolyten, der gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.

The drawings described herein are only for the purpose of illustrating selected embodiments and not all possible implementations, and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

1 Figure 13 is an exemplary schematic representation of a solid state electrochemical cell having a sulfide-containing solid electrolyte prepared in accordance with various aspects of the present disclosure; and
2 12 is an example of a schematic representation of a sulfide-containing solid electrolyte made in accordance with various aspects of the present disclosure.

Entsprechende Bezugszahlen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.Example embodiments are provided so that this disclosure will be thorough, and will fully convey this to those skilled in the art. Numerous specific details are set forth, such as examples of specific compositions, components, devices, and methods, in order to provide a thorough understanding of embodiments of the present disclosure. It will be appreciated by those skilled in the art that specific details need not be employed, that example embodiments may be embodied in many different forms, and that neither should be construed to limit the scope of the disclosure. In some example embodiments, well-known processes, well-known device structures, and well-known technologies are not described in detail.

Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. The terms "comprises,""comprising,""including," and "comprising" are inclusive, and therefore specify the presence, but exclude the presence or addition, of specified features, elements, compositions, steps, integers, acts, and/or components does not assume any other characteristic, integer, step, operation, element, component and/or group thereof. Although the open-ended term "comprising" is intended to be a non-limiting term used to describe and claim the various embodiments set forth herein, in certain aspects the term may alternatively be understood to be a more limiting and restrictive term, such as eg "consisting of" or "consisting essentially of". Therefore, for any given embodiment that recites compositions, materials, components, elements, features, integers, acts, and/or method steps, this disclosure also expressly encompasses embodiments that consist of such stated compositions, materials, components, elements, features, wholes Numbers, processes and/or process steps consist of or essentially consist of them consist. In the case of "consisting of", the alternative embodiment excludes all additional compositions, materials, components, elements, features, integers, acts and/or method steps, while in the case of "consisting essentially of" all additional compositions, materials, components , elements, features, integers, acts, and/or method steps that materially affect the basic and novel features are excluded from such an embodiment, but all compositions, materials, components, elements, features, integers, acts, and/or method steps , which do not substantially affect the basic and novel features, may be included in the embodiment.

Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.All method steps, processes, and operations described herein are not to be construed as necessarily to be performed in the order discussed or presented unless expressly identified as the order of performance. It is also understood that additional or alternative steps may be employed unless otherwise noted.

Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „benachbart“ versus „direkt benachbart“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.When a component, element or layer is referred to as being "on", "engaging", "connected" or "coupled" to another element or layer, it may be directly on, engaged, connected or coupled to the other component, element, or layer, or there may be intervening elements or layers. Conversely, when an element is referred to as being “directly on,” “directly engaged with,” “directly connected to,” or “directly coupled to” another element or layer, there must be no intervening elements or layers. Other words used to describe the relationship between elements should be interpreted in a similar manner (e.g., "between" versus "directly between," "adjacent" versus "directly adjacent," etc.). As used herein, the term "and/or" includes any combination of one or more of the associated listed items.

Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.Although the terms first, second, third, etc. may be used herein to describe various steps, elements, components, regions, layers, and/or sections, those steps, elements, components, regions, layers, and/or sections should not be interchanged these terms are restricted unless otherwise noted. These terms may only be used to distinguish one step, element, component, region, layer or section from another step, element, component, region, layer or section. Terms such as "first," "second," and other numerical terms, when used herein, do not imply any sequence or order, unless clearly indicated by the context. Thus, a first step, element, component, region, layer, or section discussed below could be referred to as a second step, element, component, region, layer, or section without departing from the teachings of the exemplary embodiments .

Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Abbildungen dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Abbildungen dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.Spatially or temporally relative terms such as "before," "after," "inside," "outside," "beneath," "beneath," "below," "above," "above," and the like may be used herein for convenience , to describe the relationship of an element or feature to one or more other elements or features, as shown in the figures. Spatially or temporally relative terms may be intended to encompass different orientations of the device or system in use or operation in addition to the orientation depicted in the figures.

In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „ungefähr“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.Throughout this disclosure, the numerical values represent approximate measures or limits for ranges, including minor deviations from the stated values and embodiments about the stated value as well as those exactly the stated value. Other than the working examples at the end of the detailed description, all numerical values of parameters (e.g. of magnitudes or conditions) in this specification, including the appended claims, should be understood to be modified by the term "about" in all cases, independently whether or not "approximately" actually appears before the numerical value. "Approximately" means that the given numerical value allows for a slight inaccuracy (within some approximation of the accuracy of the value; approximately or fairly close to the value; almost). Unless the imprecision implied by "approximately" is otherwise understood in the art with that ordinary meaning, then "approximately" as used herein means at least deviations arising from ordinary methods of measuring and using such parameters can arise. For example, "about" can mean a variation of less than or equal to 5%, optionally less than or equal to 4%, optionally less than or equal to 3%, optionally less than or equal to 2%, optionally less than or equal to 1%, optionally less than or equal to 0.5% and, in certain aspects, optionally less than or equal to 0.1%.

Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.In addition, disclosure of ranges includes disclosure of all values and further subdivided ranges within the entire range, including endpoints and subranges specified for the ranges.

Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.Exemplary embodiments will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf sulfidhaltige Festkörperelektrolyte und sulfidhaltige Festkörper-Verbundelektrolyte sowie elektrochemische Zellen und Elektroden, die diese enthalten, und Verfahren zu deren Herstellung oder Erzeugung. Solche Verfahren beinhalten die Verwendung von Mischungen aus vergleichsweise kostengünstigen Vorläufern, wobei Mischungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen unterschiedliche Festkörperelektrolyte bilden können. Einige Mischungen erzeugen z.B. homogene Festkörperelektrolyte, die z.B. ein oder mehrere Elektrolytmaterialien enthalten, während andere Mischungen heterogene oder Festkörper-Verbundelektrolyte erzeugen, die z.B. ein oder mehrere Elektrolytmaterialien und eine oder mehrere Kondensatorkomponenten enthalten können. Die Beibehaltung einiger Restkondensatorkomponenten kann die Lithiumleitung verbessern, einschließlich Absorption und Desorption. Innerhalb der Festkörperbatterie kann die Restkondensatorkomponente auch die Leistungsfähigkeit und das Leistungsverhalten der Zelle verbessern. Elektroden und elektrochemische Zellen, die solche Elektrolyte enthalten, können z.B. in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen (z.B. Motorrädern, Booten), aber auch in elektrochemischen Zellen verwendet werden, die in einer Vielzahl anderer Industrien und Anwendungen, wie z.B. als nicht einschränkendes Beispiel in Geräten der Unterhaltungselektronik, eingesetzt werden.The present disclosure relates to solid-state sulfide-containing electrolytes and composite solid-state sulfide-containing electrolytes and electrochemical cells and electrodes containing the same and methods of making or producing the same. Such methods involve the use of mixtures of relatively inexpensive precursors, where mixtures with different compositional ratios can form different solid electrolytes. For example, some mixtures produce homogeneous solid-state electrolytes, e.g., containing one or more electrolyte materials, while other mixtures produce heterogeneous or solid-state composite electrolytes, which may, e.g., contain one or more electrolyte materials and one or more capacitor components. Retaining some residual capacitor components can improve lithium conduction, including absorption and desorption. Within the solid state battery, the residual capacitor component can also improve cell performance and performance. Electrodes and electrochemical cells containing such electrolytes can be used, for example, in automobiles or other vehicles (eg, motorcycles, boats), but also in electrochemical cells that are used in a variety of other industries and applications, such as, for example, as a non-limiting example in devices of the Consumer electronics are used.

Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Komplett-Festkörperzelle 20 (hier auch als „die Batterie“ bezeichnet), die Lithiumionen zyklisch bewegt, ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 26, der zwischen den Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 kann durch einen Festkörperelektrolyten gebildet sein. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, der Separator 26 durch eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 gebildet sein. Auf diese Weise sorgt die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 für eine elektrische Trennung und verhindert den physischen Kontakt zwischen den Elektroden 22, 24, während gleichzeitig ein minimaler Widerstandsweg für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von diesbezüglichen Anionen geschaffen wird. Wie weiter unten ausführlicher besprochen, kann in verschiedenen Fällen eine zweite und/oder dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90, 92 mit einer oder beiden Elektroden 22, 24 gemischt werden, um ein kontinuierliches Festkörperelektrolytnetzwerk zu bilden.An exemplary and schematic representation of an all-solid-state electrochemical cell 20 (also referred to herein as “the battery”) that cycles lithium ions is shown in FIG 1 shown. The battery 20 includes a negative electrode 22, a positive electrode 24, and a separator 26 disposed between the electrodes 22,24. The separator 26 can be formed by a solid electrolyte. For example, as illustrated, the separator 26 may be formed by a first plurality of solid electrolyte particles 30 . In this way, the first plurality of solid electrolyte particles 30 provide electrical separation and prevent physical contact between the electrodes 22, 24 while at the same time providing a minimal resistance path for the internal passage of lithium ions and in certain cases related anions. As discussed in more detail below, in various instances, a second and/or third plurality of solid electrolyte particles 90, 92 may be mixed with one or both electrodes 22, 24 to form a continuous solid electrolyte network.

Ein Stromkollektor 32 für die negative Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 und ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40 (wie durch die Blockpfeile dargestellt). Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 32 für die negative Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 für die positive Elektrode) verbinden. Der positive Stromkollektor 34 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der negative Stromkollektor 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material sein, das den Fachleuten bekannt ist.A negative electrode current collector 32 may be positioned at or near the negative electrode 22 and a positive electrode current collector 34 may be positioned at or near the positive electrode 24 . The negative electrode current collector 32 and the positive electrode current collector 34 each collect free electrons and move them to and from an external circuit 40 (as indicated by the block arrows). For example, an interruptible external circuit 40 and a load device 42 may connect the negative electrode 22 (via the negative electrode current collector 32) and the positive electrode 24 (via the positive electrode current collector 34). The positive current collector 34 may be metal foil, mesh or screen, or expanded metal made of aluminum or other suitable electrically conductive material known to those skilled in the art. The negative current collector 32 may be a metal foil, mesh or screen, or expanded metal made of copper or other suitable electrically conductive material known to those skilled in the art.

Die Batterie 20 kann während der Entladung durch reversible elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (zur Verbindung der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24) und die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge Lithium enthält, einen elektrischen Strom erzeugen (angezeigt durch die Blockpfeile). Die chemische Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingeführten Lithiums erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den Separator 26 in Richtung der positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Ionen wandern über den Separator 26 zur positiven Elektrode 24, wo sie plattiert, zur Reaktion gebracht oder eingelagert werden können. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 (in Richtung der Blockpfeile) geleitet werden, bis das Lithium oder Natrium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.The battery 20 can generate an electric current during discharge by reversible electrochemical reactions that occur when the external circuit 40 is closed (connecting the negative electrode 22 and the positive electrode 24) and the negative electrode 22 contains a relatively larger amount of lithium create (indicated by the block arrows). The chemical potential difference between the negative electrode 22 and the positive electrode 24 drives the electrons generated by the oxidation of lithium introduced at the negative electrode 22 toward the positive electrode 24 through the external circuit 40. Lithium ions also generated at the negative electrode 22 are transported through the separator 26 towards the positive electrode 24 at the same time. The electrons flow through the external circuit 40 and the ions travel through the separator 26 to the positive electrode 24 where they can be plated, reacted or intercalated. The electric current flowing through the external circuit 40 can be harnessed and directed through the load device 42 (in the direction of the block arrows) until the lithium or sodium in the negative electrode 22 is consumed and the capacity of the battery 20 is reduced.

Die Batterie 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle (z.B. ein Ladegerät) an die Batterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung der Batterie auftreten. Der Anschluss der externen Stromquelle an die Batterie 20 erzwingt die nicht spontane Oxidation eines oder mehrerer Metallelemente an der positiven Elektrode 24 zur Erzeugung von Elektronen und Ionen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen, und die Ionen, die sich über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 bewegen, vereinigen sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen sie mit Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterieentladungszyklus auf. Daher wird jedes Entlade- und Ladeereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem die Ionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zirkulieren bzw. zyklisch bewegt werden.The battery 20 can be recharged or re-powered at any time by a external power source (eg, a charger) is connected to the battery 20 to reverse the electrochemical reactions that occur as the battery discharges. Connection of the external power source to the battery 20 forces the non-spontaneous oxidation of one or more metal elements on the positive electrode 24 to generate electrons and ions. The electrons flowing back to the negative electrode 22 through the external circuit 40 and the ions moving back to the negative electrode 22 via the separator 26 recombine at the negative electrode 22 and fill it with lithium for consumption during the next battery discharge cycle. Therefore, each discharge and charge event is considered a cycle in which the ions are circulated or cycled between the positive electrode 24 and the negative electrode 22 .

Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem Wechselstromquellen, wie z.B. Wechselstrom-Steckdosen und Wechselstromgeneratoren von Kraftfahrzeugen. In vielen der Konfigurationen der Batterie 20 werden jeweils der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger Dicke) vorbereitet und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten (z.B. bipolare Stapelung) zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket bereitzustellen. In verschiedenen anderen Fällen kann die Batterie 20 Elektroden 22, 24 sowie die Stromkollektoren 32, 34 und den Separator 26 enthalten und in Reihe geschaltet sein, um die gewünschte Batterieleistung und Energie zu erreichen.The external power source that can be used to charge the battery 20 can vary depending on the battery 20's size, construction, and particular end use. Some notable and exemplary external power sources include AC power sources, such as AC outlets and automotive alternators. In many of the configurations of battery 20, each of negative electrode current collector 32, negative electrode 22, separator 26, positive electrode 24, and positive electrode current collector 34 are formed as relatively thin layers (e.g., from a few microns to a millimeters or less in thickness) and assembled in layers electrically connected in parallel (e.g., bipolar stacking) to provide an appropriate electrical energy and power package. In various other instances, battery 20 may include electrodes 22, 24 as well as current collectors 32, 34 and separator 26 and may be connected in series to achieve the desired battery performance and energy.

Darüber hinaus kann die Batterie 20 in bestimmten Aspekten eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, eine Dichtung, Anschlusskappen und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden, wie beispielsweise zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum, um ein nicht einschränkendes Beispiel zu geben. Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und handgehaltene Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich mit unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies für Lastvorrichtung 42 erforderlich ist.Additionally, in certain aspects, the battery 20 may include a variety of other components that are not illustrated herein but are known to those skilled in the art. For example, battery 20 may include a case, gasket, terminal caps, and any other conventional components or materials located within battery 20, such as between or around negative electrode 22, positive electrode 24, and/or separator 26 around to give a non-limiting example. As mentioned above, battery 20 can vary in size and shape depending on the specific applications for which it is designed. Battery powered vehicles and handheld consumer electronic devices are two examples where the battery 20 would most likely be designed with different size, capacity, and performance specifications. Battery 20 may also be connected in series or parallel with other similar lithium ion cells or batteries to produce higher output voltage, energy and power when required by load device 42 .

Dementsprechend kann die Batterie 20 einen elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 42 erzeugen, die operativ an den externen Stromkreis 40 angeschlossen werden kann. Die Lastvorrichtung 42 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Während es sich bei der Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Vorrichtungen handeln kann, sind einige spezifische Beispiele für stromverbrauchende Lastvorrichtungen ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein rein elektrisches Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte als nicht einschränkende Beispiele zu nennen. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Energiespeicherung auflädt.Accordingly, the battery 20 can generate electrical current for the load device 42 that can be operatively connected to the external circuit 40 . The load device 42 may be powered in whole or in part by the electrical current flowing through the external circuit 40 when the battery 20 is being discharged. While the load device 42 can be any number of known electrically powered devices, some specific examples of power consuming load devices include an electric motor for a hybrid or purely electric vehicle, a laptop computer, a tablet computer, a cellular phone, and cordless To cite power tools or appliances as non-limiting examples. The load device 42 may also be a power-generating device that charges the battery 20 for energy storage.

Mit weiterer Bezugnahme auf 1 sorgt der Separator 26 für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen der negativen Elektrode 22 (d.h. Anode) und der positiven Elektrode 24 (d.h. Kathode). Der Separator 26 stellt auch einen Pfad mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Ionen bereit. In verschiedenen Aspekten kann der Separator 26, wie oben erwähnt, durch einen Festkörperelektrolyten gebildet werden. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, der Separator 26 durch eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 gebildet werden. Die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 kann in einer oder mehreren Schichten oder Verbundwerkstoffen angeordnet sein, so dass eine dreidimensionale Struktur des Separators 26 gebildet wird. Zum Beispiel kann der Separator 26 eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1 mm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 5 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm haben.With further reference to 1 separator 26 provides electrical isolation - preventing physical contact - between negative electrode 22 (ie, anode) and positive electrode 24 (ie, cathode). The separator 26 also provides a path of minimal resistance for the internal passage of ions. In various aspects, as mentioned above, the separator 26 may be formed by a solid electrolyte. For example, as illustrated, the separator 26 may be formed by a first plurality of solid electrolyte particles 30 . The first plurality of solid electrolyte particles 30 may be arranged in one or more layers or composites such that a three-dimensional structure of the separator 26 is formed. For example, the separator 26 can have a thickness of greater than or equal to about 1 μm to less than or equal to about 1 mm, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 5 μm to less than or equal to about 100 μm.

Die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 kann ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien umfassen. Beispielsweise kann das durch die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 definierte Elektrolytsystem in verschiedenen Aspekten pseudobinär, pseudoternär oder pseudoquaternär sein. Li₂S-P₂S₅- und Li₂S-SnS₂-Systeme sind Beispiele für pseudobinäre Elektrolytsysteme. Li₂S-P₂S₅-Elektrolytsysteme können ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien wie Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁ und Li_9,6P₃S₁₂ enthalten. Li₂S-SnS₂-Elektrolytsysteme können ein sulfidhaltiges Elektrolytmaterial wie Li₄SnS₄ enthalten. Li₂S-P₂S₅-GeS₂-Systeme, Li₂S-P₂S₅-LiX-Systeme (wobei X eines von Fluor (F), Chlorid (Cl), Bromid (Br) und lodid (I) ist), Li₂S-As₂S₅-SnS₂-Systeme sind Beispiele für pseudoternäre Elektrolytsysteme. Li₂S-P₂S₅-GeS₂-Elektrolytsysteme können ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien wie Li₃,₂₅Ge₀,₂₅P₀,₇₅S4 und Li₁₀GeP₂S₁₂ enthalten. Li₂S-P₂S₅-LiX-Elektrolytsysteme (wobei X eines von Fluor (F), Chlorid (Cl), Bromid (Br) und lodid (I) ist) können ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien wie Li₆PS₅Br, Li₆PS₆Cl, Li₇P₂S₈l und Li₄PS₄l enthalten. Li₂S-As₂S₅-SnS₂-Elektrolytsysteme können ein sulfidhaltiges Elektrolytmaterial wie Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄ (z.B. 1 ,9165Li₂S-0,0833As₂S₅-0,833SnS₂) enthalten. Pseudoquaternäre Elektrolytsysteme können ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien wie Li_9,54Si_1,74P_1,44S₁₁,₇Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3 und Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ enthalten. Auf diese Weise kann die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, L₁₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₆Cl, Li₇P₂S₈I, Li₄PS₄l, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P₁,₆₅S₁₂ und Kombinationen davon.The first plurality of solid electrolyte particles 30 may include one or more sulfide-containing electrolyte materials. For example, the electrolyte system defined by the first plurality of solid electrolyte particles 30 may be pseudo-binary, pseudo-ternary, or pseudo-quaternary in various aspects. Li ₂ SP ₂ S ₅ and Li ₂ S-SnS ₂ systems are examples of pseudo-binary electrolyte systems. Li ₂ SP ₂ S ₅ electrolyte systems can have one or more rere sulfide-containing electrolyte materials such as Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ and Li _9.6 P ₃ S ₁₂ included. Li ₂ S-SnS ₂ electrolyte systems may contain a sulfide-containing electrolyte material such as Li ₄ SnS ₄ . Li ₂ SP ₂ S ₅ -GeS ₂ systems, Li ₂ SP ₂ S ₅ -LiX systems (where X is one of fluorine (F), chloride (Cl), bromide (Br) and iodide (I)), Li ₂ S-As ₂ S ₅ -SnS ₂ systems are examples of pseudoternary electrolyte systems. Li ₂ SP ₂ S ₅ -GeS ₂ electrolyte systems may contain one or more sulfide-containing electrolyte materials such as Li ₃ , ₂₅ Ge ₀ , ₂₅ P ₀ , ₇₅ S4 and Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ . Li ₂ SP ₂ S ₅ -LiX (where X is one of fluorine (F), chloride (Cl), bromide (Br) and iodide (I)) electrolyte systems may contain one or more sulfide-containing electrolyte materials such as Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l and Li ₄ PS ₄ l included. Li ₂ S-As ₂ S ₅ -SnS ₂ electrolyte systems may contain a sulfide-containing electrolyte material such as Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ (eg, 1.9165Li ₂ S-0.0833As ₂ S ₅ -0.833SnS ₂ ). Pseudoquaternary electrolyte systems can contain one or more sulfide-containing electrolyte materials such as Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S ₁₁ _.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 and Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08] P _1.65 S ₁₂ included. In this manner, the first plurality of solid electrolyte particles 30 may comprise one or more sulfide-containing electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , L ₁₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ I, Li ₄ PS ₄ l, Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08] P ₁ , ₆₅ S ₁₂ and combinations thereof.

Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet werden, das als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungieren kann. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 in bestimmten Variationen durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 50 definiert sein. In bestimmten Fällen ist die negative Elektrode 22, wie dargestellt, ein Verbundstoff, der aus einer Mischung der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und einer zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 besteht. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und größer oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 enthalten. Die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 können in einer oder mehreren Schichten oder Zusammensetzungen angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu bilden.The negative electrode 22 can be formed from a lithium host material that can function as the negative terminal of a lithium ion battery. For example, in certain variations, the negative electrode 22 may be defined by a plurality of negative electroactive solid particles 50 . In certain instances, as shown, the negative electrode 22 is a composite composed of a mixture of the negative electroactive solid particles 50 and a second plurality of solid electrolyte particles 90 . For example, the negative electrode 22 can be greater than or equal to about 10% to less than or equal to about 95% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 50% to less than or equal to about 90% by weight % of the negative electroactive solid particles 50 and greater than or equal to about 5% by weight to less than or equal to about 90% by weight and in certain aspects optionally greater than or equal to about 10% by weight to less than or equal to about 40 % by weight of the second plurality of solid electrolyte particles 90. The negative solid electroactive particles 50 and the second plurality of solid electrolyte particles 90 may be arranged in one or more layers or composites to form the three-dimensional structure of the negative electrode 22 .

In bestimmten Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 auf Lithium basieren und z.B. ein Lithium-Metall und/oder eine Lithium-Legierung enthalten. In anderen Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 auf Silicium basieren und z.B. Silicium, eine Siliciumlegierung, Siliciumoxid oder Kombinationen davon enthalten, die in bestimmten Fällen außerdem mit Graphit gemischt sein können. In noch anderen Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 auf Kohlenstoff basieren und ein oder mehrere von Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Kombinationen davon enthalten. In noch weiteren Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂) und/oder ein oder mehrere Übergangsmetalle (wie Zinn (Sn)), ein oder mehrere Metalloxide (wie Vanadiumoxid (V₂O₅)), Zinnoxid (SnO), Titandioxid (TiO₂)), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64) und ein oder mehrere Metallsulfide (wie Eisensulfid (FeS)) und/oder Titansulfid (TiS₂) enthalten.In certain variations, the negative electroactive solid particles 50 can be lithium-based and contain, for example, a lithium metal and/or a lithium alloy. In other variations, the negative electroactive solid particles 50 may be silicon-based and include, for example, silicon, a silicon alloy, silicon oxide, or combinations thereof, which in certain cases may also be mixed with graphite. In still other variations, the negative electroactive solid particles 50 may be carbon-based and include one or more of graphite, graphene, carbon nanotubes (CNTs), and combinations thereof. In still further variations, the negative electroactive solid particles 50 may be lithium titanium oxide (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) and/or one or more transition metals (such as tin (Sn)), one or more metal oxides (such as vanadium oxide (V ₂ O ₅ )) , tin oxide (SnO), titanium dioxide (TiO ₂ )), titanium niobium oxide (Ti _x Nb _y O _z , where 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 and 0 ≤ z ≤ 64) and one or more metal sulfides (such as Iron sulfide (FeS)) and/or titanium sulfide (TiS ₂ ).

In verschiedenen Aspekten kann die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 gleich wie oder verschieden von der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 sein. Zum Beispiel kann die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90, wie die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30, ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄l, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li,₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ und Kombinationen davon. In solchen Fällen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen Elektronenleitungspfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein.In various aspects, the second plurality of solid electrolyte particles 90 can be the same as or different from the first plurality of solid electrolyte particles 30 . For example, the second plurality of solid electrolyte particles 90, like the first plurality of solid electrolyte particles 30, may comprise one or more sulfide-containing electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _{9 ,6} P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₅ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li, _0.35 [Sn _0.27 Si _1.08 ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof. In such cases, the negative electroactive solid particles 50 and/or the second plurality of solid electrolyte particles 90 can optionally be fused with one or more electrically conductive materials that provide an electron conduction path and/or at least one polymeric binder material that enhances the structural integrity of the negative electrode 22. be mixed up.

Zum Beispiel können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymeren (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymeren (SBS), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (Li-PAA) und/oder Natrium-Polyacrylat (NaPAA)-Bindemitteln. Elektrisch leitfähige Materialien können z.B. Materialien auf Kohlenstoffbasis oder ein leitfähiges Polymer sein. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Graphitteilchen, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen sein. In bestimmten Variationen können leitfähige Additive zum Beispiel ein oder mehrere kohlenstofffreie leitfähige Additive umfassen, die aus einfachen Oxiden (wie RuO₂, SnO2, ZnO, Ge₂O₃), supraleitfähigen Oxiden (wie YBa₂Cu₃O₇, La_0,75Ca_0,25MnO₃), Carbiden (wie SiC₂), Siliciden (wie MoSi₂) und Sulfiden (wie CoS₂) ausgewählt sind.For example, the negative electroactive solid particles 50 and/or the second plurality of solid electrolyte particles 90 may optionally be blended with binders such as styrene-ethylene-butylene-styrene copolymers (SEBS), styrene-butadiene-styrene copolymers (SBS), polyvinylidene difluoride ( PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, nitrile butadiene rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR), lithium polyacrylate (Li-PAA) and/or Sodium Polyacrylate (NaPAA) binders. Electrically conductive materials can be, for example, carbon-based materials or a conductive polymer. Carbon-based materials may include, for example, graphite particles, acetylene black (such as KETCHEN™ black or DENKA™ black), carbon fibers and nanotubes, graphene, and the like. Examples of a conductive polymer can be polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole and the like. In certain variations, conductive additives may include, for example, one or more carbon-free conductive additives selected from simple oxides (such as RuO ₂ , SnO2, ZnO, Ge ₂ O ₃ ), superconductive oxides (such as YBa ₂ Cu ₃ O ₇ , La _0.75 Ca _0.25 MnO ₃ ), carbides (such as SiC ₂ ), silicides (such as MoSi ₂ ) and sulfides (such as CoS ₂ ).

In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 25 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitfähigen Additive und größer oder gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional größer oder gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel enthalten.In various aspects, the negative electrode 22 can be greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 25%, optionally greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 10% by weight. %, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 5% by weight of the one or more electrically conductive additives and greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 20 wt%, optionally greater than or equal to about 0 wt% to less than or equal to about 10 wt%, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 0 wt% to less than or equal to about 5 wt% % of the one or more binders included.

In verschiedenen anderen Aspekten kann, wie in 2 dargestellt, die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 Festkörper-Verbundelektrolytteilchen 200 umfassen. Jedes Verbundelektrolytteilchen 200 kann ein Festkörperelektrolytkondensatormaterial oder -cluster 210 enthalten, das ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Kondensatormaterialteilchen 212 und eine Sulfidbeschichtung umfasst, die auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen der Kondensatorcluster 210 angeordnet ist. Beispielsweise kann jedes Verbundelektrolytteilchen 200 mehr als etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, der kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialteilchen 212 und mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-%, der Sulfidbeschichtung 220 umfassen.In various other aspects, as in 2 As shown, the second plurality of solid electrolyte particles 90 comprise solid state composite electrolyte particles 200 . Each composite electrolyte particle 200 may include a solid electrolytic capacitor material or cluster 210 comprising one or more carbonaceous capacitor material particles 212 and a sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the capacitor clusters 210 . For example, each composite electrolyte particle 200 can have greater than about 0% to less than or equal to about 60%, and in certain aspects optionally greater than about 0% to less than or equal to about 30%, by weight, of carbonaceous capacitor material particles 212 and greater than or equal to about 40% to less than or equal to about 100% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 70% to less than or equal to about 100% by weight %, of the sulphide coating 220 comprise.

Jedes der kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialteilchen 212 kann einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 nm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm haben, und die Sulfidbeschichtung 220 kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 10 nm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm haben, so dass ein mittlerer Teilchendurchmesser der Verbundelektrolytteilchen 200 größer oder gleich etwa 2 nm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm, optional größer oder gleich etwa 20 nm bis kleiner oder gleich etwa 40 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 500 nm bis kleiner oder gleich etwa 2 µm ist.Each of the carbonaceous capacitor material particles 212 can have an average particle diameter of greater than or equal to about 1 nm to less than or equal to about 50 μm, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 10 nm to less than or equal to about 20 μm, and the sulfide coating 220 may have a thickness greater than or equal to about 1 nm to less than or equal to about 50 μm, and in certain aspects, optionally greater than or equal to about 10 nm to less than or equal to about 20 μm, such that an average particle diameter of the composite electrolyte particles 200 is greater than or from about 2 nm to less than or equal to about 100 μm, optionally from greater than or equal to about 20 nm to less than or equal to about 40 μm, and in certain aspects optionally from greater than or equal to about 500 nm to less than or equal to about 2 μm.

In bestimmten Variationen können die kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialteilchen 212 ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Materialien enthalten, die aus der aus Aktivkohle (AC), Graphen, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Solche kohlenstoffhaltigen Materialien haben eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, z.B. größer oder gleich etwa 10² S/m bis kleiner oder gleich etwa 10⁸ S/m. Die elektrische Leitfähigkeit eines oder mehrerer kohlenstoffhaltiger Materialien kann die elektronische Leitfähigkeit innerhalb der negativen Elektrode 22 verbessern, so dass andere elektrisch leitende Materialien oder Zusätze weggelassen werden können. Die Sulfidbeschichtung kann aus einem oder mehreren Elektrolytmaterialien bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₆Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄l, Li₃,₈₃₃Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P₂,₉Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P₁,₆₅S₁₂ und Kombinationen davon.In certain variations, the carbonaceous capacitor material particles 212 may include one or more carbonaceous materials selected from the group consisting of activated carbon (AC), graphene, porous carbon, carbon nanotubes (CNT), and combinations thereof. Such carbonaceous materials have a certain electrical conductivity, for example greater than or equal to about 10 ² S/m to less than or equal to about 10 ⁸ S/m. The electrical conductivity of one or more carbonaceous materials can improve the electronic conductivity within the negative electrode 22 so that other electrically conductive materials or additives can be omitted. The sulfide coating may consist of one or more electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _{3 25} Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li ₃ , ₈₃₃ Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P ₂ _.9 Mn _0.1 S _10.7 I _{0 .3} , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P ₁ _.65 S ₁₂ and combinations thereof.

Gemäß erneuter Bezugnahme auf 1 kann die positive Elektrode 24 aus einem elektroaktiven Material auf Lithium- oder Natriumbasis gebildet werden, das eine Lithiumeinlagerung und -auslagerung (z.B. Legieren und Ablösen und/oder Plattieren und Ablösen) erfahren kann, während es als positiver Anschluss der Batterie 20 fungiert. Zum Beispiel kann in bestimmten Variationen die positive Elektrode 24 durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 60 gebildet sein. In bestimmten Fällen ist, wie dargestellt, die positive Elektrode 24 ein Verbundstoff, der eine Mischung der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 umfasst. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und größer oder gleich etwa 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 enthalten. Die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 können in einer oder mehreren Schichten oder Zusammensetzungen angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu bilden.According to again reference to 1 For example, the positive electrode 24 can be formed from a lithium or sodium based electroactive material that can undergo lithium intercalation and deintercalation (eg, alloying and delaminating and/or plating and delaminating) while functioning as the positive terminal of the battery 20 . For example, in certain variations, the positive electrode 24 may be formed by a plurality of positive electroactive solid particles 60 . In certain cases, as illustrated, the positive electrode 24 is a composite comprising a mixture of the solid positive electroactive particles 60 and the third plurality of solid electrolyte particles 92 . For example, the positive electrode 24 can be greater than or equal to about 10% to less than or equal to about 95% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 50% to less than or equal to about 90% by weight % by weight of positive electroactive solid particles 60 and greater than or equal to about 5% by weight to less than or equal to about 70%, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 10% to less than or equal to about 30% by weight of the third plurality of solid electrolyte particles 92. The positive solid electroactive particles 60 and the third plurality of solid electrolyte particles 92 may be arranged in one or more layers or composites to form the three-dimensional structure of the positive electrode 24 .

In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Schichtoxid-Kathode, eine Spinellkathode oder eine Polyanionkathode sein. Beispielsweise können Schichtoxid-Kathoden (z.B. Steinsalzschichtoxide) positive elektroaktive Festkörperteilchen 60 enthalten, die ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis umfassen, die z.B. ausgewählt sind aus LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co und Al ist und 0 ≤ x ≤ 1) (zum Beispiel LiCoO₂ (LCO), LiNiO₂, LiMnO₂, LiNi_0,5Mn_0,5O₂, NMC111, NMC523, NMC622, NMC721, NMC811, NCA). Spinellkathoden können positive elektroaktive Festkörperteilchen 60 enthalten, die ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis umfassen, die z.B. aus LiMn₂O₄ (LMO) und LiNi_0,5Mn_1,5O₄ ausgewählt sind. Polyanionkathoden können positive elektroaktive Festkörperteilchen 60 enthalten, die ein Phosphat wie LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄ oder Li₃V₂(PO₄)F₃ und/oder ein Silikat wie LiFeSiO₄, Li₂MnSiO₄ und LiMnSiO₄F umfassen.In certain variations, the positive electrode 24 may be a layered oxide cathode, a spinel cathode, or a polyanion cathode. For example, layered oxide cathodes (e.g. rock salt layered oxides) may contain solid positive electroactive particles 60 comprising one or more lithium-based positive electroactive materials selected, for example, from LiNi _x Mn _y Co _1-xy O ₂ (where 0 ≤ x ≤ 1 and 0 ≤ y ≤ 1), LiNi _x Mn _1-x O ₂ (where 0 ≤ x ≤ 1), Li _1+x MO ₂ (where M is one of Mn, Ni, Co and Al and 0 ≤ x ≤ 1) ( for example LiCoO ₂ (LCO), LiNiO ₂ , LiMnO ₂ , LiNi _0.5 Mn _0.5 O ₂ , NMC111, NMC523, NMC622, NMC721, NMC811, NCA). Spinel cathodes may contain solid positive electroactive particles 60 comprising one or more lithium-based positive electroactive materials selected, for example, from LiMn ₂ O ₄ (LMO) and LiNi _0.5 Mn _1.5 O ₄ . Polyanion cathodes may contain positive electroactive solid particles 60 that contain a phosphate such as LiFePO ₄ , LiVPO ₄ , LiV ₂ (PO ₄ ) ₃ , Li ₂ FePO ₄ F, Li ₃ Fe ₃ (PO ₄ ) ₄ , or Li ₃ V ₂ (PO ₄ ) F ₃ and/or a silicate such as LiFeSiO ₄ , Li ₂ MnSiO ₄ and LiMnSiO ₄ F.

In verschiedenen anderen Fällen können Kathoden vom Olivin-Typ positive elektroaktive Festkörperteilchen 60 enthalten, die ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis umfassen, die z.B. aus LiV₂(PO₄)₃, LiFePO₄, LiCoP0₄ und LiMnPO₄ ausgewählt sind. Kathoden vom Tavorit-Typ können positive elektroaktive Festkörperteilchen 60 enthalten, die positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis wie LiVPO₄F umfassen. Kathoden vom Borat-Typ können positive elektroaktive Festkörperteilchen 60 enthalten, die ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis umfassen, die z.B. aus LiFeBO₃, LiCoBO₃ und LiMnBO₃ ausgewählt sind. In noch weiteren Variationen kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere andere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis umfassen, wie z.B. ein oder mehrere aus Dilithium-(2,5-Dilithiooxy)terephthalat und Polyimid. In bestimmten Aspekten können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 optional beschichtet (z.B. mit LiNbO₃ und/oder Al₂O₃) und/oder dotiert (z.B. mit Magnesium (Mg)) sein.In various other cases, olivine-type cathodes may contain solid positive electroactive particles 60 comprising one or more lithium-based positive electroactive materials selected, for example, from LiV ₂ (PO ₄ ) ₃ , LiFePO ₄ , LiCoPO ₄ and LiMnPO ₄ . Tavorite-type cathodes may contain solid-state positive electroactive particles 60 comprising lithium-based positive electroactive materials such as LiVPO ₄ F. Borate-type cathodes may contain solid positive electroactive particles 60 comprising one or more lithium-based positive electroactive materials selected, for example, from LiFeBO ₃ , LiCoBO ₃ and LiMnBO ₃ . In still other variations, the positive electrode 24 may comprise one or more other lithium-based positive electroactive materials, such as one or more of dilithium (2,5-dilithiooxy)terephthalate and polyimide. In certain aspects, the positive electroactive solid particles 60 may optionally be coated (eg, with LiNbO ₃ and/or Al ₂ O ₃ ) and/or doped (eg, with magnesium (Mg)).

In verschiedenen Aspekten kann die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 gleich wie oder verschieden von der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 und/oder der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 sein. Zum Beispiel kann die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92, wie die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 und/oder die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90, ein oder mehrere sulfidhaltige Elektrolytmaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₆Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄l, Li₃,₈₃₃Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,S4Si₁,₇₄P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P₂,₉Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P₁,₆₅S₁₂ und Kombinationen davon. In solchen Fällen können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen Elektronenleitungspfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt sein.In various aspects, the third plurality of solid electrolyte particles 92 may be the same as or different from the first plurality of solid electrolyte particles 30 and/or the second plurality of solid electrolyte particles 90 . For example, the third plurality of solid electrolyte particles 92, like the first plurality of solid electrolyte particles 30 and/or the second plurality of solid electrolyte particles 90, may comprise one or more sulfide-containing electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , _Li7P3S11 _, _Li9.6P3S12 _, _Li4SnS4 _, _{Li3.25Ge0.25P0.75S4} _, _Li10GeP2S12 _, _Li6PS5Br _, _Li _{_} _{_} _{_} _{_} ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li ₃ , ₈₃₃ Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.S4 Si ₁ , ₇₄ P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P ₂ , ₉ Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P ₁ , ₆₅ S ₁₂ and combinations thereof. In such cases, the positive electroactive solid particles 60 and/or the third plurality of solid electrolyte particles 92 can optionally be fused with one or more electrically conductive materials that provide an electron conduction path and/or at least one polymeric binder material that enhances the structural integrity of the positive electrode 24. be mixed up.

Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 optional mit Bindemitteln wie Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymeren (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymeren (SBS), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (Li-PAA) und/oder Natrium-Polyacrylat (NaPAA)-Bindemitteln vermischt sein. Elektrisch leitfähige Materialien können z.B. Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverisierte Nickel- oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer enthalten. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Graphitteilchen, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen sein.For example, the positive electroactive solid particles 60 can optionally be bound with binders such as styrene-ethylene-butylene-styrene copolymers (SEBS), styrene-butadiene-styrene copolymers (SBS), polyvinylidene difluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene Diene monomer (EPDM) rubber, nitrile butadiene rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR), lithium polyacrylate (Li-PAA) and/or sodium polyacrylate (NaPAA) binders. Electrically conductive materials may include, for example, carbon-based materials, powdered nickel or other metal particles, or a conductive polymer. For example, carbon-based materials may include graphite particles, acetylene black (such as KETCHEN™ black or DENKA™ black), carbon fibers and nanotubes, graphene, and the like. Examples of a conductive polymer can be polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole and the like.

Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 25 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitfähigen Additive und größer oder gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional größer oder gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel enthalten.The positive electrode 24 can be greater than or equal to about 0 wt% to less than or equal to about 25 wt%, optionally greater than or equal to about 0 wt% to less than or equal to about 10 wt%, and in certain aspects, optionally greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 5% by weight of the one or more electrically conductive additives and greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 20% by weight %, optionally greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 10% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 0% to less than or equal to about 5% by weight of the one or contain the plurality of binders.

In verschiedenen anderen Aspekten kann, wie in 2 dargestellt, die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92, wie die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90, Festkörper-Verbundelektrolytteilchen 200 umfassen. Die Verbundelektrolytteilchen 200 enthalten jeweils einen Festkörperkondensatorcluster 210, der ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Kondensatormaterialteilchen 212 und eine Sulfidbeschichtung enthält, die auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen der Kondensatorcluster 210 angeordnet ist. Das eine oder die mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialteilchen 212 können ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aktivkohle (AC), Graphen, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Kombinationen davon besteht. Solche kohlenstoffhaltigen Materialien haben eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, z.B. größer oder gleich etwa 10² S/m bis kleiner oder gleich etwa 10⁸ S/m. Die elektrische Leitfähigkeit eines oder mehrerer kohlenstoffhaltiger Materialien kann die elektronische Leitfähigkeit innerhalb der positiven Elektrode 24 verbessern, so dass andere elektrisch leitende Materialien oder Zusätze weggelassen werden können. Die Sulfidbeschichtung kann ein oder mehrere Elektrolytmaterialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄l, Li₃,₈₃₃Sn_0,833As_0,166S₄, Lh₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li,₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ und Kombinationen davon.In various other aspects, as in 2 illustrated, the third plurality of solid electrolyte particles 92, like the second plurality of solid electrolyte particles 90, comprise solid state composite electrolyte particles 200. FIG. The composite electrolyte particles 200 each include a solid state capacitor cluster 210 that includes one or more carbonaceous capacitor material particles 212 and a sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the capacitor clusters 210 . The one or more carbonaceous capacitor material particles 212 may include one or more carbonaceous materials selected from the group consisting of activated carbon (AC), graphene, porous carbon, carbon nanotubes (CNTs), and combinations thereof. Such carbonaceous materials have a certain electrical conductivity, for example greater than or equal to about 10 ² S/m to less than or equal to about 10 ⁸ S/m. The electrical conductivity of one or more carbonaceous materials can improve the electronic conductivity within the positive electrode 24 so that other electrically conductive materials or additives can be omitted. The sulfide coating may contain one or more electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₅ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li ₃ , ₈₃₃ Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Lh ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _{0, 3} , Li, ₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof.

In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung eines Festkörperelektrolyten, zum Beispiel die in 2 dargestellten Festkörper-Verbundelektrolytteilchen 200, bereit. Das Verfahren kann das Mischen eines Sulfatvorläufers mit einem oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien umfassen, z.B. unter Verwendung eines Handmahl- oder mechanischen Mahlverfahrens (wie Kugel- oder Vibrationsmahlen) oder eines Fällungsverfahrens. Solche Fällungsverfahren können zunächst das Dispergieren des Sulfatvorläufers und des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien in einem Lösungsmittel, z.B. Wasser, zur Bildung einer Suspension und die tropfenweise Zugabe eines Fällungsmittels, z.B. Ethanol, in die Suspension umfassen. In solchen Fällen kann ein weiterer Erhitzungsschritt erforderlich sein, um das restliche Lösungsmittel zu entfernen. Das eine oder die mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aktivkohle (AC), Graphen, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Kombinationen davon. Der Sulfatvorläufer kann Lithiumsulfat (Li₂SO₄) und/oder Lithiumsulfathydrat (Li₂SO₄·H₂O) umfassen, zum Beispiel Li₂SO₄·xH₂O, wobei x größer oder gleich etwa 1 ist. In bestimmten Variationen kann die (erste) Mischung mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 85 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 85 Gew.-% des Sulfatvorläufers umfassen; und mehr als oder gleich etwa 15 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 15 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien umfassen.In various aspects, the present disclosure provides a method of making or creating a solid electrolyte, such as those described in 2 illustrated solid-state composite electrolyte particles 200, ready. The process may include mixing a sulfate precursor with one or more carbonaceous capacitor materials, eg using a hand milling or mechanical milling process (such as ball or vibratory milling) or a precipitation process. Such precipitation methods may comprise first dispersing the sulfate precursor and the one or more carbonaceous capacitor materials in a solvent, eg water, to form a suspension and adding a precipitating agent, eg ethanol, dropwise into the suspension. In such cases, an additional heating step may be required to remove residual solvent. The one or more carbonaceous capacitor materials may be selected from the group consisting of: activated carbon (AC), graphene, porous carbon, carbon nanotubes (CNTs), and combinations thereof. The sulfate precursor may comprise lithium sulfate (Li ₂ SO ₄ ) and/or lithium sulfate hydrate (Li ₂ SO ₄ .H ₂ O), for example Li ₂ SO ₄ .xH ₂ O, where x is greater than or equal to about 1. In certain variations, the (first) mixture can be greater than or equal to about 20% to less than or equal to about 85% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 40% to less than or equal to about 85% by weight of the sulfate precursor; and greater than or equal to about 15% to less than or equal to about 80%, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 15% to less than or equal to about 60% by weight of the one or the plurality of carbonaceous capacitor materials.

Wenn die (erste) Mischung einer (ersten) Temperatur von mehr als oder gleich etwa 700 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr oder gleich etwa 750 °C bis weniger als oder gleich etwa 900 °C für einen ersten Zeitraum bzw. für eine erste Dauer von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 24 Stunden, und in bestimmten Aspekten, optional mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 12 Stunden ausgesetzt wird, kann ein Elektrolytvorläufer gebildet werden, z.B. durch Reduktion des Sulfatvorläufers unter Verwendung der kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien. In bestimmten Variationen kann eine solche Kalzinierung die folgende Reduktion herbeiführen: Li₂SO₄ + 2C → 2CO₂ ↑ + Li₂S When the (first) mixture has a (first) temperature of greater than or equal to about 700°C to less than or equal to about 1200°C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 750°C to less than or equal to about 900°C for a first period or duration of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours, and in certain aspects, optionally greater than or equal to about 30 minutes to less than or equal to about 12 hours , an electrolyte precursor can be formed, for example, by reduction of the sulfate precursor using the carbonaceous capacitor materials. In certain variations, such calcination can bring about the following reduction: Li ₂ SO ₄ + 2C → 2CO ₂ ↑ + Li ₂ S

In bestimmten Variationen kann die Mischung ein Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien von etwa 1:2 (Molverhältnis) umfassen. In anderen Variationen kann die Mischung ein Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder den mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien von weniger als etwa 1:2 (Molverhältnis) umfassen. In Fällen, in denen das Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder den mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien etwa 1:2 beträgt, kann eine volle Menge des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien verbraucht werden, so dass der Elektrolytvorläufer im Wesentlichen aus Lithiumsulfid (Li₂S) besteht. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass der Elektrolytvorläufer in diesem Fall im Wesentlichen Mengen des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien ausschließt, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften des Elektrolytvorläufers wesentlich beeinflussen. Wie Fachleute jedoch an bestimmten Variablen erkennen können, kann der Elektrolytvorläufer Spurenmengen des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien und/oder verschiedene Kontaminationsstoffe enthalten.In certain variations, the mixture may include a ratio of the sulfate precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials of about 1:2 (molar ratio). In other variations, the mixture may include a ratio of the sulfate precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials of less than about 1:2 (molar ratio). In cases where the ratio of the sulfate precursor to the one or more capacitor carbonaceous materials is about 1:2, a full amount of the one or more capacitor carbonaceous materials can be consumed such that the electrolyte precursor consists essentially of lithium sulfide (Li ₂ S) consists. The term "consists essentially of" means that the electrolyte precursor, in this case, essentially excludes amounts of the one or more carbonaceous capacitor materials that substantially affect the fundamental and novel properties of the electrolyte precursor. However, as those skilled in the art can appreciate from certain variables, the electrolyte precursor may contain trace amounts of the one or more carbonaceous capacitor materials and/or various contaminants.

In Fällen, in denen das Verhältnis des Sulfatvorläufers zu dem einen oder mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien weniger als etwa 1:2 beträgt, kann eine Menge des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien verbraucht werden, die geringer ist als die volle Menge, z.B. können etwa 17,91 Gew.-% des ursprünglichen kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterials übrig bleiben. In solchen Fällen kann der Elektrolytvorläufer einen Kondensatorcluster enthalten, der das eine oder die mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien und eine Lithiumsulfidbeschichtung enthält, die auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen des Festkörperkondensatorclusters oder -teilchens angeordnet ist. Die Sulfidbeschichtung kann Lithiumsulfid (Li₂S) umfassen, und in bestimmten Aspekten kann der Elektrolytvorläufer mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% der Lithiumsulfidbeschichtung umfassen; und mehr als etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-% des einen oder der mehreren kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien umfassen.In cases where the ratio of the sulfate precursor to the one or more capacitor carbonaceous materials is less than about 1:2, an amount of the one or more capacitor carbonaceous materials can be consumed that is less than the full amount, e.g., about 17, 91% by weight of the original carbonaceous capacitor material remains. In such cases, the electrolyte precursor may include a capacitor cluster that includes the one or more carbonaceous capacitor materials and a lithium sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the solid state capacitor cluster or particle. The sulfide coating may include lithium sulfide (Li ₂ S), and in certain aspects, the electrolyte precursor may be greater than or equal to about 10% by weight to less than or equal to about 100% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 30 from less than or equal to about 100% by weight of the lithium sulfide coating; and greater than about 0% to less than or equal to about 90%, and in certain aspects optionally greater than about 0% to less than or equal to about 70% by weight of the one or more carbonaceous Capacitor materials include.

In jedem Fall kann das Verfahren ferner das Mischen des Elektrolytvorläufers mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten umfassen, beispielsweise unter Verwendung eines Mahlverfahrens, eines nasschemischen Verfahrens oder eines Schmelzabschreckverfahrens. Die eine oder mehreren zusätzliche Komponenten können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Phosphorpentasulfid (P₂S₅), Germaniumsulfid (GeS₂), Siliciumdisulfid (SiS₂), Zinn(IV)-sulfid (SnS₂), Arsenpentasulfid (AS₂S₅), Nickelsulfid (Ni₃S₂), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumchlorid (LiCI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumjodid (Lil), Schwefel (S), Phosphor (P) und Kombinationen davon. Zum Beispiel kann die (zweite) Mischung mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% des Elektrolytvorläufers; und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% einer oder mehrerer zusätzlicher Komponenten umfassen. Die eine oder mehreren zusätzlichen Komponenten reagieren mit Lithiumsulfid (Li₂S), das z.B. im Elektrolytvorläufer vorhanden ist, unter Bildung eines oder mehrerer Elektrolytmaterialien. Das eine oder die mehreren Elektrolytmaterialien können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li_9,6P₃S₁₂, Li₄SnS₄, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅Cl, Li₇P₂S₈l, Li₄PS₄I, Li₃,₈₃₃Sn_0,833As_0,166S₄, Li₁₁Si₂PS₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S₁₁,₇Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3, Li₁₀₃₅[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂ und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen kann der Gewichtsprozentsatz des Elektrolytvorläufers vom gewünschten Elektrolyten abhängen. Wenn es zum Beispiel wünschenswert ist, dass der Elektrolyt Li₇P₃S₁₁ enthält, kann der Gewichtsprozentsatz von Li₂S etwa 32,6 Gew.-% und der zusätzliche nKomponente (P₂S₅) etwa 67,4 Gew.-% betragen.In any case, the method may further comprise mixing the electrolyte precursor with one or more additional components, for example using a milling process, a wet chemical process, or a melt quench process. The one or more additional components may be selected from the group consisting of: phosphorus pentasulfide (P ₂ S ₅ ), germanium sulfide (GeS ₂ ), silicon disulfide (SiS ₂ ), tin(IV) sulfide (SnS ₂ ), arsenic pentasulfide ( AS ₂ S ₅ ), nickel sulfide (Ni ₃ S ₂ ), lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), lithium iodide (Lil), sulfur (S), phosphorus (P), and combinations thereof. For example, the (second) mixture can be greater than or equal to about 1% to less than or equal to about 90% by weight, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 10% to less than or equal to about 80% by weight of the electrolyte precursor; and greater than or equal to about 10% to less than or equal to about 99%, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 20% to less than or equal to about 90% by weight of a or include several additional components. The one or more additional components react with lithium sulfide (Li ₂ S) present, for example, in the electrolyte precursor to form one or more electrolyte materials. The one or more electrolyte materials may be selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _{0, 25} P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₅ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ I, Li ₃ , ₈₃₃ Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S ₁₁ _.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _1.08 ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof. In certain variations, the weight percentage of the electrolyte precursor may depend on the electrolyte desired. For example, if it is desirable for the electrolyte to contain Li ₇ P ₃ S ₁₁ , the weight percentage of Li ₂ S can be about 32.6 wt% and the additional n component (P ₂ S ₅ ) can be about 67.4 wt%. %.

In bestimmten Variationen kann das Mischen des Elektrolytvorläufers mit einer oder mehreren Zusatzkomponenten die Bildung einer Mischung in einem Kugelmahlbehälter und das Kugelmahlen der Mischung umfassen. Das Kugelmahlen kann bei einer Drehzahl von größer oder gleich etwa 50 U/min bis kleiner oder gleich etwa 1500 U/min durchgeführt werden. Das Kugelmahlen kann über einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 72 Stunden und in bestimmten Aspekten optional über oder gleich etwa 1 Stunde bis weniger als oder gleich etwa 24 Stunden durchgeführt werden. In bestimmten Fällen kann das gemahlene Gemisch weiter erhitzt werden. Beispielsweise kann das gemahlene Gemisch auf eine (zweite) Temperatur von mehr oder gleich etwa 100 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr oder gleich etwa 150 °C bis weniger als oder gleich etwa 700 °C, für einen ersten Zeitraum von mehr oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 24 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr oder gleich etwa 1 Stunde bis weniger als oder gleich etwa 12 Stunden erhitzt werden, um den Festkörperelektrolyten zu bilden.In certain variations, mixing the electrolyte precursor with one or more additional components may include forming a mixture in a ball milling vessel and ball milling the mixture. The ball milling can be performed at a speed of greater than or equal to about 50 rpm to less than or equal to about 1500 rpm. The ball milling can be performed for a period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 72 hours, and in certain aspects, optionally, greater than or equal to about 1 hour to less than or equal to about 24 hours. In certain cases, the ground mixture can be further heated. For example, the milled mixture can be heated to a (second) temperature of greater than or equal to about 100°C to less than or equal to about 1200°C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 150°C to less than or equal to about 700°C, for a first period of time of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 1 hour to less than or equal to about 12 hours to form the solid electrolyte.

In anderen Variationen kann das Mischen des Elektrolytvorläufers mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten das Mischen oder Dispergieren des Elektrolytvorläufers und der einen oder mehreren zusätzlichen Komponenten in einem Lösungsmittel umfassen. In bestimmten Variationen kann das Lösungsmittel z.B. aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Tetrahydrofuran, Acetonitril, Hydrazin, Methanol, Ethanol, Ethylacetat, N-Methylformamid, 1,2-Dimethyoxyethan und Kombinationen davon. Flüssigkeit kann anschließend entfernt werden, indem die Dispersion einer (zweiten) Temperatur von mehr als oder gleich etwa 50 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 °C bis weniger als oder gleich etwa 200 °C, für einen ersten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 12 Stunden ausgesetzt wird, um den Festkörperelektrolyten zu bilden.In other variations, mixing the electrolyte precursor with one or more additional components may include mixing or dispersing the electrolyte precursor and the one or more additional components in a solvent. For example, in certain variations, the solvent may be selected from the group consisting of: tetrahydrofuran, acetonitrile, hydrazine, methanol, ethanol, ethyl acetate, N-methylformamide, 1,2-dimethyloxyethane, and combinations thereof. Liquid can then be removed by bringing the dispersion to a (second) temperature of greater than or equal to about 50°C to less than or equal to about 1200°C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 50°C to less than or equal to about 200 ° C, for a first period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 48 hours, and in certain aspects, optionally greater than or equal to about 30 minutes to less than or equal to about 12 hours, to the to form solid electrolytes.

In noch anderen Variationen kann das Mischen des Elektrolytvorläufers mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten weiterhin das Erhitzen der (zweiten) Mischung auf eine hohe Temperatur und das rasche Abkühlen oder Abschrecken der Mischung umfassen. Beispielsweise kann die (zweite) Mischung auf eine (zweite) Temperatur von mehr als oder gleich etwa 100 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr oder gleich etwa 400 °C bis weniger als oder gleich etwa 900 °C, für einen ersten Zeitraum von mehr oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 24 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 12 Stunden erhitzt werden; und schnell abgekühlt (abgeschreckt) auf eine (dritte) Temperatur von mehr als oder gleich etwa -100 °C bis weniger als oder gleich etwa 100 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa -50 °C bis weniger als oder gleich etwa 100 °C werden.In still other variations, mixing the electrolyte precursor with one or more additional components may further comprise heating the (second) mixture to a high temperature and rapidly cooling or quenching the mixture. For example, the (second) mixture to a (second) temperature of greater than or equal to about 100°C to less than or equal to about 1200°C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 400°C to less than or equal to about 900 °C, heated for a first period of time of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours, and in certain aspects, optionally, greater than or equal to about 30 minutes to less than or equal to about 12 hours; and rapidly cooled (quenched) to a (third) temperature of greater than or equal to about -100°C to less than or equal to about 100°C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about -50°C to less than or equal to about 100 °C.

Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.The foregoing description of the embodiments has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the disclosure. Individual elements or features of a particular embodiment are generally not limited to that particular embodiment, but are optionally interchangeable and can be used in a selected embodiment, even if not specifically shown or described. The same can also be varied in many ways. Such variations are not to be regarded as outside the disclosure, and all such changes are intended to be included within the scope of the disclosure.

Claims

A method of making a solid electrolyte, the method comprising: mixing a sulfide precursor comprising lithium sulfate (Li ₂ SO ₄ ) and/or lithium sulfate hydrate (Li ₂ SO ₄ ·H ₂ O) with one or more carbonaceous capacitor materials to form a first mixture to build; calcining the first mixture at a temperature of greater than or equal to about 700°C to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours to form a lithium sulfide ( Li ₂ S) containing electrolyte precursor to form; and mixing the electrolyte precursor with one or more additional components selected from the group consisting of: phosphorus pentasulfide (P ₂ S ₅ ), germanium sulfide (GeS ₂ ), silicon disulfide (SiS ₂ ), tin(IV) sulfide (SnS ₂ ), arsenic pentasulfide (AS ₂ S ₅ ), nickel sulfide (Ni ₃ S ₂ ), lithium fluoride (LiF), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), lithium iodide (Lil), sulfur (S), phosphorus (P), and combinations thereof, to form the solid electrolyte.

procedure after claim 1 wherein the ratio of the sulfide precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials in the first mixture is about 1:2.

procedure after claim 2 , wherein the electrolyte precursor consists essentially of lithium sulfide (Li ₂ S), and wherein the solid electrolyte consists essentially of one or more electrolyte materials selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , Li ₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ I, Li _3.833 Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P ₂ _.9 Mn _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si ₁ _.08] P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof.

procedure after claim 1 wherein the ratio of the sulfide precursor to the one or more carbonaceous capacitor materials in the first mixture is less than about 1:2.

procedure after claim 4 , wherein the electrolyte precursor is a composite precursor comprising a solid state capacitor cluster and a sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the solid state capacitor cluster, wherein the solid state capacitor cluster contains the one or more carbonaceous capacitor materials and the sulfide coating contains lithium sulfide; and wherein the solid electrolyte is a composite electrolyte comprising a solid capacitor cluster and a sulfide coating disposed on one or more exposed surfaces of the solid capacitor cluster, the solid capacitor cluster containing the one or more carbonaceous capacitor materials and the sulfide coating containing one or more electrolyte materials consisting of are selected from the group consisting of: Li ₃ PS ₄ , L ₁₇ P ₃ S ₁₁ , Li _9.6 P ₃ S ₁₂ , Li ₄ SnS ₄ , Li _3.25 Ge _0.25 P _0.75 S ₄ , Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ , Li ₆ PS ₅ Br, Li ₆ PS ₆ Cl, Li ₇ P ₂ S ₈ l, Li ₄ PS ₄ l, Li ₃ , ₈₃₃ Sn _0.833 As _0.166 S ₄ , Li ₁₁ Si ₂ PS ₁₂ , Li _9.54 Si _1.74 P _1.44 S _11.7 Cl _0.3 , Li ₇ P _2.9 M _0.1 S _10.7 I _0.3 , Li ₁₀₃₅ [Sn _0.27 Si _{1 .08} ]P _1.65 S ₁₂ and combinations thereof.

procedure after claim 5 wherein the solid electrolyte comprises greater than about 0% to less than or equal to about 60% by weight of the carbonaceous capacitor materials and greater than or equal to about 40% to less than or equal to about 100% by weight of the sulfide coating contains; and wherein the sulfide coating has a thickness of greater than or equal to about 1 nm to less than or equal to about 50 µm and the solid electrolyte has a mean particle diameter of greater than or equal to about 2 nm to less than or equal to about 100 µm.

procedure after claim 1 , wherein mixing the electrolyte precursor with the one or more additional components comprises: milling a second mixture containing the electrolyte precursor and the one or more additional components at a speed of greater than or equal to about 50 rpm to less than or equal to equal to about 1500 rpm for a second time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours; and heating the milled second mixture to a second temperature of greater than or equal to about 100°C to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours to form the solid electrolyte.

procedure after claim 1 wherein mixing the electrolyte precursor with the one or more additional components comprises: dispersing the electrolyte precursor and the one or more additional components in a solvent to form a dispersion; and removing liquid from the dispersion by exposing the second mixture to a second temperature of greater than or equal to about 50°C to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 48 hours to form the solid electrolyte.

procedure after claim 1 , wherein mixing the electrolyte precursor with the one or more additional components further comprises: heating a second mixture containing the electrolyte precursor and the one or more additional components to a second temperature of greater than or equal to about 100° C. to less than or equal to about 1200°C for a first time period of greater than or equal to about 10 minutes to less than or equal to about 24 hours; and quenching the second mixture to a third temperature of greater than or equal to about -100°C to less than or equal to about 100°C to form the solid electrolyte.

procedure after claim 1 , wherein the one or more carbonaceous capacitor materials are selected from the group consisting of: activated carbon (AC), graphene, porous carbon, carbon nanotubes (CNTs), and combinations thereof.