TW202147672A - Lco電極及由其製造之電池 - Google Patents

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Abstract

本發明描述出一種用於電池的電極、用於電池的活性堆疊、電池及製造方法，其中該電極具有一LiCoO2 (LCO)電極層與(110)、(101)、(104)或(003)結晶定向或其組合。

Description

LCO電極及由其製造之電池
相關申請案之相互參照
本申請案主張2020年2月3日提出的美國暫時性專利申請案序號62/969,429之優先權及利益，其全文以參考之方式併入本文。 與聯邦贊助的研究或發展有關之聲明
不適用 受到版權保護的材料之事先通知
於本專利文件中的一部分材料可受美國及其它國家之著作權法的版權保護。當在美國專利及商標局(United States Patent and Trademark Office)可公開獲得的檔案或記錄中顯露出時，該著作權的所有人對由該專利文件或專利所揭露之任何一種的仿真複製不得有異議，但是其它方面則保留所有的版權。版權所有人在此不放棄其任何將本專利文件保密的權利，包括但不限於其依據37 C.F.R. § 1.14的權利。
1.發明領域
本揭示之技術廣泛涉及電池，更特別涉及用於電池之改良的電極技術。
發明背景
2.背景討論
LiCoO2 (LCO)係一種可使用R
Figure 02_image001
m(166)空間群來描述的結晶材料。LCO係一種使用在能量儲存應用的Li離子導體。Li離子及電子傳導路徑具各向異性，其不允許沿著單位晶格的c軸進行離子或高電子傳導，如在來自A. Jain、S.P. Ong、G. Hautier、W. Chen、W.D. Richards、S. Dacek、S. Cholia、D. Gunter、D. Skinner、G. Ceder及K.A. Persson，The Materials Project: A materials genome approach to accelerating materials innovation，APL Materials，2013，1(1)，011002的圖1A及圖1B中有描出。
發明概要
在一個具體實例中，本技術包含一種具有全緻密LiCoO2 (LCO)電極層、在(110)、(101)、(104)或(003)方向上的晶體定向及平滑表面之固態電池。
在另一個具體實例中，本技術包含一種用於固態電池之電極層，該電極層包含一具有在(110)、(101)、(104)或(003)方向上的晶體定向及平滑表面之全緻密LiCoO2 (LCO)電極層。
在進一步具體實例中，本技術包含一種用於製造上述描述的電池及上述描述的電極層之方法。
將在本專利說明書的下列部分中呈現出於本文中所描述的技術之進一步態樣，其中詳細說明係為了完整揭示出本技術的較佳具體實例之目的而非對其施加限制。
較佳實施例之詳細說明
1.定義
如於本文中所使用，用語「高密度」或「全緻密」應該意謂著及包括約99%至約100%的密度。
當在本文中關於描述一表面而使用時，用語「平滑」指為平均粗糙度深度(Rz)，其較佳為低於約10微米，更佳為低於約5微米及甚至更佳為低於約2微米。將要察知的是，Rz係連續取樣長度的單一粗糙度深度之算術平均值，及典型藉由在五個取樣長度上測量其最高波峰至最低波谷的垂直距離，然後平均這些距離來計算。
2.說明
在本揭示中所描述出的技術係由Xerion Advanced Battery Corp. (XABC)所發展之DirectPlate™ LCO技術延伸進電極領域中，其廣泛及更特別關於一種用於液態及固態電解質電池的電極。DirectPlate™ LCO完整描述在XABC的美國專利案號9,780,356中，其全文以參考之方式併入本文。僅作為速記用，在本揭示中的用語「XABC方法」、「XABC製程」、「XABC LCO」及「XABC LCO電極」係使用來區別於本揭示中所描述之技術與XABC的DirectPlate™ LCO技術。
使用厚及緻密電極的電池之主要問題係通過該高離子及電子阻抗的電極而導致減少充電及放電速率一起與惱人的熱生成。於本文中所描述的XABC方法係一種製造出解決該問題的電極結構之方法。XABC LCO電極可以其厚形式使用於固態或液態電解質電池中。藉由XABC方法所形成的電極可生長成比競爭技術(例如，RF濺鍍、PLD及CVD)更厚(例如，約10微米至約400+微米)。考慮到這一點，讓此令人印象深刻的厚度能夠使用之性質為該電極所包含的獨特結構。結果，此結構的性質明顯增加該離子及電子導電率，因此讓這些厚電極能夠被使用。這些性質包含下列之一或多種：
1.經控制的晶體定向(較佳定向為在(110)結晶方向上)；
2.高密度(即，該材料係全緻密)；
3.該電極係厚的(例如，約10微米至約200微米或更厚)，但是亦可係薄或厚的(例如，小於約1微米至約200微米或更厚)；
4.至少一個表面係平滑表面；
5.在該表面與電流收集器間係連續晶粒，因此遍及該材料產生傳導路徑。
該第一性質施用至全部較佳具體實例。更佳的是，前三種性質係存在。液態電解質電池則第四及第五種性質不需要存在，但是想要。在固態電解質電池的情況中，第四及第五種同樣地較佳為存在。
在最佳的具體實例中，全部五種性質係存在。這五種性質之組合使用了所測量的材料性質而產生一種具有具體及定量定義之新電極結構。此組合提供固態及液態電解質基電池二者一改良的性能。為此緣故，其非為現存技術的漸進式改良，而是目前技術水平的轉型跳躍，其能夠製造出因為現在Li離子電池的限制而不存在之產物。這些新型應用的某些有：人類(新生兒-成年人)外部/內部穿戴式醫療裝置、長程型電動車(long range electric vehicle)、飛行計程車(flight based taxies)、特薄型消費電子產品等等。
競爭性技術未能產生出上述描述的五種性質之組合。此外，競爭性電極的有用厚度受限制。再者，產生那些性質之某些所需要的方法典型會襲擊到製造速度的代價(與脈衝雷射沈積及濺鍍比較，其比XABC方法長一個級數大小)。如先前描述，在本揭示中所描述的XABC方法係一種在XABC的DirectPlate™ LCO技術中所描述之熔融鹽方法的延伸。
XABC LCO的結晶定向可被控制成沿著某些結晶軸而允許快速鋰離子擴散。定向的LCO已經使用諸如RF電磁管濺鍍、脈衝雷射沈積及化學氣相沈積技術(此表列無意徹底)合成，但是那些方法對大規模製造Li離子電池商品來說不視為成本有效。例如，與於本文中所描述之以約1微米/分鐘至約10微米/分鐘之速率操作的方法比較，RF電磁管濺鍍生長速率係約0.1微米/分鐘，其有效地限制由此技術所製造的電極之厚度。再者，RF電磁管濺鍍典型需要額外的後熱處理步驟，因為該材料非高度結晶。在本揭示所描述的技術中不需要該額外步驟，因此進一步增加製造速度及降低成本。
不像先前方法，於本文中所描述的XABC方法係以一可規模化的方式，藉由特別控制已知的製程參數而達成定向。
XABC方法之實施例
研磨0.75克LiOH與8克KOH之混合物並將其放進鎳坩堝中。在加熱至350 ℃後，將約0.5克的CoO加入該熔融物。該熔融物顏色自白色變成藍色，因為該二價鈷離子係由氫氧離子配位。在該加入的CoO完全溶解後，將鋁箔插入該槽中用於LiCoO2 沈積。對該電化學電鍍進行修改以達成不同的結晶定向。(003)定向的LiCoO2 係藉由在工作與相對電極(counter electrode)間施加1毫安培/平方公分之低定電流密度來製備。藉由施加該定電流8小時而製造出一具有單位面積電容量(areal capacity) 4毫安培小時/平方公分及厚度60微米之電極。藉由保持該定電流各別16小時及32小時來製造出較高負載的樣品(120微米及240微米)。藉由脈衝電沈積來製備多晶(110)、(101)及純(110)樣品。該多晶樣品係藉由施加30毫安培/平方公分的脈衝而製備，脈衝為2秒且在脈衝間停止5秒。在該停止步驟期間，並無施加電流，且監視該開路電壓(OCV)。當施加460次開/關循環時，製造出具有4毫安培小時/平方公分之負載及厚度60微米的電極。藉由將脈衝數目各別增加至920及1840而製造出較高負載的樣品(120微米及240微米)。為了製造出(110)、(101)定向，施加20毫安培/平方公分的脈衝，脈衝為5秒且在脈衝間停止5秒。當施加280次開/關循環時，製造出具有4毫安培小時/平方公分之負載及厚度60微米的電極。藉由將脈衝數目各別增加至560及1120來製造較高的負載樣品(120微米及240微米)。對純(110)定向來說，施加20毫安培/平方公分的脈衝，脈衝為2秒且在脈衝間停止5秒。當使用700次開/關循環時，製造出具有4毫安培小時/平方公分之負載及厚度60微米的電極。藉由將脈衝數目各別增加至1,400及2,800而製造出較高負載的樣品(120微米及240微米)。在對所供給的LiCoO2 定向完成沈積後，於冷卻後，將該樣品取出該槽及以水沖洗以移除殘餘鹽。對全部沈積使用鎳(1100合金)板作為相對電極。
圖2A至圖2E闡明XABC LCO可被電鍍成相關於該基材具有(110)、(104)、(101)及(003)平面定向，此對傳統液態電解質基Li離子電池和對固態電池重要。在DirectPlate™ LCO的商業液態電解質中之循環壽命極端地受定向影響，如亦在這些圖形中顯示出。
更特別的是，圖2A顯示出LCO在下列結晶定向上的SEM影像：(003)定向10；(104)、(101)、(110)定向12；(101)、(110)定向14；及(110)定向16。提供80微米尺規以闡明相對尺寸。圖2B係顯示出能夠讓所描述的技術使用之不同結晶定向的圖式，如下：(110)定向18、(101)定向20、(104)定向22及(003)定向24。該等定向係相對於基材26的平面顯示出。圖2C顯示出呈下列結晶定向的LCO之X射線粉末繞射(XRD)：(003)定向28、多晶30；(110)、(101)定向32；及(110)定向34。圖2D係一曲線圖，其闡明呈(110)定向的LCO在二種不同截止電壓(4.3伏特上掃描線36及4.5伏特下掃描線38，二者對Li/Li+ )下的循環壽命。圖2E係一曲線圖，其闡明呈(003)定向的LCO在二種不同截止電壓(4.3伏特上掃描線40及4.5伏特下掃描線42，二者對Li/Li+ )下的循環壽命。明顯地，對4.3及4.5伏特二者對Li/Li+ 截止電壓標準來說，該(110)定向支持較長的循環壽命。
圖3顯示出該呈(110)定向生長的XABC之恆電流曲線係10-7 ，此係藉由恆電流間歇式滴定技術(呈三電極組態)測量，其係高於漿體複合電極至少二個級數大小。該離子導電度提供增加該最大充電及放電速率、及減少可發動不安全的熱失控之電阻基加熱、及移除昂貴及龐大冷卻設備的需求。
該定向亦深切地影響該電極的動力學。在圖4A至圖4F中，定向在(110)定向上之60微米XABC LCO電極係與在使用鋰陽極及液態電解質之半電池中的商業LCO電極比較。
圖4A係定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極之SEM，其顯示出截面44、放大圖46、由上往下的圖48及巨觀圖50。在圖4A中的形態係與對定向在(110)方向上的電極所預計者一致。圖4B係定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極之XRD。圖4B透過在約67o 2θ處的強波峰確認此電鍍的LCO電極具有選定的(110)定向。在約37o 2θ處的小波峰指示出有某些(101)存在，其具有類似地快速動力學。
定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極及商業樣品於多種放電速率下之恆電流掃描線係各別顯示在圖4C及圖4D中，此二者在10小時的慢放電速率(於此可引出最大電容量)下具有類似的單位面積電容量。該XABC LCO電極係比商業樣品薄約20微米，因為與在商業樣品中的約70%比較，其密度係約99%。這些電極係在較快速率下評估，其一起顯示在圖4C及圖4D的恆電流曲線與表1中，其顯示出雖然該XABC LCO電極明顯更緻密，其電容量保持能力係可比較。將重點放在此，較緻密的電極係適宜的，因為對同等量的材料來說，它們較薄，但是該電池可充電及放電的速率會損失，而此對DirectPlate™ LCO來說會以較低程度發生。在商業電極與DirectPlate™ LCO間之差異係在(110)方向上的定向使得雖然高密度也能夠有好的傳輸。
圖4E及圖4F各別顯現出與圖4C及圖4D相同的資料，但是現在係相關於體積電容量(volumetric capacity)(考慮到厚度)進行繪製。最顯著的是，由於較高密度及較佳定向，該DirectPlate™ LCO在2C下的體積電容量保持能力高於商業電極近乎40%。要明白的是，定向在電極中所發生之離子及電子傳輸現象上扮演明顯及可實行的角色。
圖5A及圖5B顯示出120微米XABC (110)定向的電極之SEM 具有與已經顯示在圖4A中的較薄電極之SEM類似的形態，此指示出此定向可傳播至較厚的電極。圖5A顯示出由上往下之圖52及圖5B顯示出截面圖54。
圖5C顯示出該120微米(110)定向的XABC電極於商業液態電解質(含有鋰金屬相對電極的半電池)中在首先10小時充電及放電循環期間之恆電流曲線。重要需注意的是，此樣品的單位面積電容量係近乎8毫安培小時/平方公分，此係技藝商業LCO電極的最好狀態之約雙倍。高負載藉由減少在電池(特定電容量)中的層數目而增加電池(固體或液態電解質)的能量密度，其移除占體積及質量的非活性材料。圖5D顯示出120微米XABC (110)定向的電極之充放電能力。可自圖5D看見此120微米XABC電極的充放電能力令人印象深刻，其可在僅15分鐘內引出多於一半的電容量。圖5E係該120微米XABC (110)定向的電極之XRD。主導的(110)定向能夠讓此厚且緻密二者的電極使用146毫安培小時/克電容量(近乎LCO的最大比電容量)。將察知該第一循環庫侖效率係＞92%，此係在商業可容許性的水平。
圖6A及圖6B再次顯示出240微米XABC (110)定向的電極之SEM具有與已經各別顯示在圖4A及圖5A二者中的較薄電極之SEM類似的形態。圖6A顯示出截面圖56。圖6B顯示出由上往下的圖58，二個由上往下的放大圖60、62及縮小圖64。在圖6C中顯示出240微米XABC電極於液態電解質(含有鋰金屬相對電極之半電池)中在首先10小時充電循環66及放電循環68期間的恆電流掃描線。重要需注意的是，此樣品之單位面積電容量係近乎15毫安培小時/平方公分，此係技藝商業LCO電極的4X最好狀態。圖6D之XRD顯示出主導的(110)定向能夠讓一厚且緻密二者的電極使用135毫安培小時/克電容量(近乎LCO的最大比電容量)。將要察知的是，該第一循環庫侖效率係＞90%，此係在商業可容許性的水平。此仍然傳遞近乎LCO的最大比電容量之厚電極進一步闡明定向及晶粒控制能夠讓近乎全緻密及超厚的電極使用於液態電解質及固態電池二者之能力。
圖7闡明根據本揭示的固態電池組態70之非為限制的實施例。顯示在圖7中的電池包含第一電流收集器72、毗連該第一電流收集器72的陽極層74、毗連該陽極層74的固態電解質層76、毗連該固態電解質層76的陰極層78及毗連該陰極層78的第二電流收集器80。在一個具體實例中，該陰極層78可包含一全緻密DirectPlate™ LiCoO2 (LCO)材料層。在一個具體實例中，該LCO材料可具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。在一個具體實例中，該LCO材料層面對該電解質層可具有一平滑表面。在一個具體實例中，該第一電流收集器72可包含一銅基材料。在一個具體實例中，該第二電流收集器80可包含一鋁基材料。在一個具體實例中，該陽極層74可包含一鋰離子基活性材料，諸如鋰、矽、錫、石墨或石墨矽複合物。可使用的固態電解質之實施例包括但不限於摻雜Al的LLZO、硫銀鍺礦、摻雜Ga的LLZO、GeS2 、LAGP、LATP、LGPS、Li2 S、LISICON、磷酸鋰(Li3 PO4 )、LiPON、LLZO、LPS、摻雜Nb的LLZO、鈉β氧化鋁、硫醚固態電解質(Li2 S-P2 S5 、Li2 S-P2 S5 -GeS2 、Li2 S-P2 S5 -X的非晶相、部分結晶、完全結晶形式，其中X係Cl、Br、I)、摻雜Ta的LLZO及摻雜W的LLZO。
最常見(大量)的固態電池設計典型使用一除了固態電解質分隔器外遍及多孔電極完整均勻混和的固態電解質(而非僅在該陽極與陰極間之固態電解質分隔器層)，以保證高的電子及離子連接性和最大電極材料利用。該混和的電極設計能夠讓該固態電解質區域與該活性材料緊密接觸，及保證離子傳導主要透過該固態電解質發生而非在更更高阻抗的多孔活性材料複合物。該不太可能具有厚的商業電極之更佳的固態電池設計係使用該固態電解質作為在該陽極與陰極間之分隔層。此安排較佳，因為需要較少的固態電解質(較便宜、較高的能量)及製造簡化。特別在該固態電解質僅與該頂端表面交互作用之情況中，控制定向的能力係極其重要，以便能夠有低阻抗的電極/電解質界面，而此影響功率、熱生成、安全性、循環壽命及許多其它技術相關的性能指標。
另一個對固態電解質與我們的XABC陰極之整合重要的參數係特定形態，諸如顯示在圖8A及圖8B中的較佳柱狀形態。圖8A係具有柱狀形態及(110)結晶定向的LCO 82之SEM截面圖。圖8B係在LCO 82中的柱86之圖式圖84。這些結構係與液體及固態電解質二者相容。再者，該柱狀結構較佳，因為該柱可在該電極的生長方向上形成如為單晶，其有效地消除晶界。在缺乏有抗性晶界下，充電及放電速率將較高，及在較高的充電及放電速率下之熱生成將較低。
LCO可生長出的更另一種形態係顯示在圖8C及圖8D中。圖8C係具有緻密的樹狀(110)形態90之XABC LCO 88的SEM截面圖。圖8D係具有非柱狀晶界96的LCO 94之圖式92。這些非柱狀結構二者係與液態電解質相容及可與固態電解質相容。
圖9A顯示出經生長而具有低表面粗糙度及平滑柱狀形態的XABC LCO 98之截面SEM。圖9B顯示出經生長而具有低表面粗糙度及平滑柱狀形態的XABC LCO 100之頂端表面SEM(及放大圖102)。圖9C顯示出經生長而具有低表面粗糙度之XABC LCO的光學輪廓儀測量。自該線掃描所計算的Rz於此係1.831微米。表面粗糙度可控制在約1.8微米至約5微米(測量值)，但是可能的是，該粗糙度可能變化超過這些極限(可能＜100奈米)。表面粗糙度對使用在傳統液體及固態電解質二者中係重要的。在液體中，該粗糙度係電荷轉移電阻及電容量的組分，其係一可決定電池的重要電化學及性能指標和電解質崩潰的額外地點之因素。
將要察知的是，在固態電池中，該電解質置換「鋪設」在電極頂端上防止短路的分隔薄膜，但是因為其典型會沈積或流入凹谷中，波峰至波谷尺寸決定該固態電解質分隔層的最小厚度。若該電解質不夠厚到完全分隔該陽極與該陰極時，此可能讓該電池短路。再者，該陰極表面粗糙度會影響在固態鋰金屬電池中的鋰陽極之形態。此陽極結構將影響該電池之性能。例如，電池膨脹性質、循環壽命及電池阻抗(此不意謂著詳盡列出)將由該陽極的表面結構影響。圖10A及圖10B係各別具有陰極108、110的電池104、106之圖式圖。與電池106的陰極110比較，在電池104中，該陰極108具有低表面粗糙度。有益的是，與電池110的電解質層114比較，在電池104中的電解質層112可以是「薄的」。
商業電極典型具有最大密度約70%至約80%。另一方面，該XABC LCO可生長出的密度在約50%至近乎100%緻密間，且後者較佳。若使用在圖7中的固態電池具體實例時，該密度想要接近100%。再者，與較低密度的電極比較，該活性材料膜的高密度增加該能量密度。在一個較佳具體實例中，於該膜中的唯一多孔洞性來自柱狀結晶間之空間。圖11係柱狀XABC LCO 116的SEM，其闡明該空洞分佈係以條紋分配在柱間。當在使用來建置於本文中所描述的技術之樣品上進行理論質量計算時，該膜之密度係約99%至約100%。例如，在顯示於圖11的15微米厚之膜的情況中，使用下列計算來計算該密度。
Figure 02_image003
Figure 02_image005
圖12A至圖14B各別顯示出商業LCO、呈(110)及(003)定向的XABC LCO之事後(ex-situ)電化學-XRD特徵。圖12A顯示出在用於XRD分析的不同電壓處停止之商業LCO其於那些多種電壓下之電壓對電容量。圖12B係在不同截止電壓下的商業LCO之XRD。圖13A顯示出在用於XRD分析的不同電壓(由點指示岀)處停止之(110)定向的XABC LCO其於那些多種電壓下之電壓對電容量。圖13B顯示出在不同截止電壓處之(110)定向的XABC LCO之相應XRD演化。圖14A顯示出在由圓形指示岀的不同電壓處停止之(003)定向的XABC LCO之電壓對電容量。圖14B顯示出在不同截止電壓處之(003)定向的Xerion LCO之相應XRD演化。在圖12A、圖13A及圖14A的XRDs中之大點指示出收集該XRD光譜的點。
典型來說，若該上限電壓係限制為約4.3伏特對Li/Li+ 時，該LCO的可逆性好。大於此電壓，二種主要的劣化機制發生：1)該電解質以加速的步調開始崩潰；及2)超過4.5伏特對Li/Li+ 時，發生大量不可逆自O3至O1堆疊模體(stacking motifs)的相變化，此快速劣化該循環壽命(O3及O1指示為建立結晶材料的原子層之堆疊順序)。Chen等人，「Staging Phase Transitions in Lix CoO2 」，Journal of The Electrochemical Society，149 (12) A1604-A1609 (2002)，其報導出商業LCO在不同電壓處發生之結晶變化。其報導：「在充電期間，來自O3相的003波峰在開始時逐漸消失，及來自X相的波峰同步生長。在此相轉換完成後，來自X相的波峰減少，同時來自O1相的001波峰生長。在4.75伏特下，可於相應XRD圖案中觀察到來自O1相之001波峰，即使在其左邊上有寬廣的肩部，此指示出該相轉換尚未完全。」
我們進行類似的實驗來查明定向的DirectPlate™ LCO對此型式的結構劣化是否更具抗性。圖12顯示出我們在由Chen等人所使用的相同型式材料(固態合成的LCO)上之資料，其提供作為用於調查我們的DirectPlate™ 電極之基線。如預計，該基線材料表現類似地於Dunn等人的公告。但是，對如顯示在圖13A及圖13B中之XABC LCO的(110)相來說，該情況係不同。該初始歸屬於LCO的XRD波峰在4.7伏特下仍然存在，及重要的是，無與O1相相關之新波峰顯現。在圖14A及圖14B中，我們顯示出對(003) XABC樣品有類似趨勢。初始歸屬於LCO的原始XRD波峰在4.7伏特下仍然存在，及在66o 處的雙峰波峰仍然指示出該積層結構係保留。顯示在20o 處的額外波峰指示出有某些來自O3-O1的轉換，但是可看見該轉換比率較少(由在20o 處的波峰與在18o 處的原始波峰之比率指示出)。此指示出(110)及(003) XABC材料二者比商業材料更相穩定。此額外的穩定性能夠讓我們的定向的XABC LCO於固態及液態電解質二者中在較高電壓下更穩定地操作，其最終會明顯地增加能量密度。
在商業與(110)及(003)定向的XABC LCO材料間之結構變化上的差異亦平移至其在高溫下的穩定性。活性材料(例如，LCO)之熱失控的開始溫度係關鍵安全性指標。當電極經歷溫度增加大於某一值時會發生熱失控，在此點處，該溫度會透過自持續熱進展(self-sustained thermal process)持續增加而導致發火及爆炸。
測試及比較商業與(110)及(003)定向的XABC LCO電極之熱穩定性。該測試係如下進行：
1.將全部電極循環至100%充電狀態(SOC)，其係定義為於3.0伏特至4.3伏特對Li/Li+ 間，在定電流放電期間，可於五小時時期內引出之電荷。
2.在組裝於有機電解質中的LCO/Li電池及裝入2025型式硬幣電池中之前，乾燥該LCO電極過夜。
3.將該LCO/Li電池組裝在2025型式硬幣電池中。允許該電池停止3小時，然後使用定電流(C/5)充電至4.3伏特接著保持定電壓直到電流降下至C/20。放電係藉由C/5的定電流進行至3伏特。在4次充電及放電循環後，該電池係在C/5下充電至4.3伏特及停止。
4.然後，在具有氬環境的手套工作箱中拆卸該電池且沒有自該電極沖洗掉該電解質(不沖洗掉電解質以模仿實際的熱失控條件)。將這些電極密封在鐵弗龍(Teflon)廣口瓶中(於手套工作箱中)。
5.將該鐵弗龍廣口瓶自RT加熱至215 ℃及保持在此溫度下10分鐘。
6.於此熱處理後，將該LCO樣品組裝在2025硬幣電池中用於分析。
7.這些電池係使用上述提到的相同規則進行放電。
此測試對該商業基線樣品(2.3毫安培小時/平方公分的負載)之結果係顯示在圖15A中，其係使用來預循環該用於熱測試之商業LCO電極的電極之恆電流掃描線。如預計，該LCO進行不可逆的劣化。如在圖15B中闡明，其顯示出商業LCO電極於液態電解質存在下，在215 ℃下熱處理10分鐘後，於4.3伏特Li/Li+ 下之恆電流掃描線，約150毫安培小時/克的初始電容量降低至約80毫安培小時/克。但是，現在參照圖16A及圖16B，類似電容量之(003)定向的XABC LCO電極樣品之情況明顯不同。圖16A顯示出使用來預循環該用於熱測試的定向在(003)方向上之XABC LCO電極的電極之恆電流掃描線。圖16B顯示出定向在(003)方向上的XABC LCO電極於液態電解質存在下，在215 ℃下熱處理10分鐘後，於4.3伏特Li/Li+ 下之恆電流掃描線。
在該熱處理過程後，約150毫安培小時/克的初始電容量進行小量降低至120毫安培小時/克，其明顯比商業LCO電極好。對(110)定向的XABC LCO電極樣品來說，在此熱穩定性測試後之電容量保持能力係最好。參照圖17A及圖17B，約140毫安培小時/克的初始電容量在該熱處理過程後仍然大部分無變化。圖17A顯示出使用來預循環該用於熱測試之定向在(110)方向上的XABC LCO電極之電極的恆電流掃描線。圖17B顯示出定向在(110)方向上的XABC LCO電極於液態電解質存在下，在215 ℃下熱處理10分鐘後，於4.3伏特Li/Li+ 下之恆電流掃描線。這些資料建議當溫度係增加至接近熱失控的開始溫度時，(110)及(003)定向的XABC LCO電極將比商業LCO安全。
亦進行DSC(示差掃描卡計)來進一步確證該熱穩定性。DSC係一種常見使用來標出在Li離子電池中的熱過程特徵之技術，其以溫度之函數使用來定量該熱流。圖18顯示出對XABC LCO及商業LCO二者所收集的DSC資料。在100% SOC下，與商業LCO比較，該XABC LCO電極樣品(虛線)顯示出較少熱流最高至約260 ℃。再者，與商業LCO的約215 ℃比較，該XABC LCO電極樣品顯示出其主要放熱過程約260 ℃開始。再者，想要較高的開始溫度，因為其提供對抗熱失控的安全性緩衝。
圖19A及圖19B顯示出XABC LCO及TEGDME基聚合物電解質之特徵電壓對SOC曲線，其闡明一使用具有低表面粗糙度、近乎100%緻密及(110)定向的XABC LCO電極之功能性電池。圖19A顯示出根據在圖7中之闡明所建構的XABC LCO∥TEGDME聚合物電解質∥鋰之恆電流掃描線。圖19B顯示出根據在圖7中之闡明所建構的XABC LCO∥TEGDME聚合物電解質∥鋰之循環壽命穩定性曲線圖。
這些資料支持在電極參數如密度、表面粗糙度及固態電解質間協同的重要性。如預計，我們發現定向在電池性能上具有深遠的影響，因為表面能量、表面反應性、擴散性及離子/電子導電度之複雜的相互作用。
常見之製造用於固態應用的LCO之方法為濺鍍塗佈，但是濺鍍塗佈LCO的明顯限制為需要沈積後熱處理步驟。此額外步驟會增加製造複雜性及成本，和限制相容基材的選擇。圖20顯示出含及不含熱處理的XABC LCO之恆電流掃描線。如可自圖20看見，於本文中所描述的XABC電極不需要此額外的熱處理步驟。
將自本文的說明中察知，本揭示包括多重建置，其包括但不限於下列：
一種電極、在用於電池的活性堆疊中之電極或在電池中的電極，其中該電極包含一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層。
一種電極、在用於電池的活性堆疊中之電極或在電池中的電極，其中該電極包含一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層，及其中該電極層包含一具有一或多種下列性質的材料：(i)高密度；(ii)自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度；(iii)至少一個平滑表面；及(iv)一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種改良的電極，其包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種用於電池的電極，該電極包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，該LiCoO2 (LCO)材料層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種用於電池的活性堆疊，該活性堆疊包含：一陽極層、一陰極層及一在該陽極層與陰極層間之電解質層，其中該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
任何前述或下列建置之活性堆疊，其中該電解質層包含一固態電解質層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
任何前述或下列建置之活性堆疊，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料(例如，鋰、矽、錫、石墨及石墨/矽複合物)層。
一種電池，其包含：一第一電流收集器、一毗連該第一電流收集器的陽極層、一毗連該陽極層的電解質層、一毗連該電解質層的陰極層及一毗連該陰極層的第二電流收集器，其中該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
任何前述或下列建置之電池，其中該電解質層包含一固態電解質層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
任何前述或下列建置之電池，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料(例如，鋰、矽、錫、石墨及石墨/矽複合物)層。
任何前述或下列建置之電池，其中該第一電流收集器包含一銅基材料。
任何前述或下列建置之電池，其中該第二電流收集器包含一鋁基材料。
一種改良的電極，其包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該電極層具有至少一個平滑表面；該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種用於電池的電極，該電極包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，該LiCoO2 (LCO)材料層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該電極層具有至少一個平滑表面；該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種用於電池的活性堆疊，該活性堆疊包含：一陽極層、一陰極層及一在該陽極層與陰極層間之電解質層，該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該陰極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該陰極層具有至少一個平滑表面；該陰極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
任何前述或下列建置之活性堆疊，其中該電解質層包含一固態電解質層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
任何前述或下列建置之活性堆疊，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料(例如，鋰、矽、錫、石墨及石墨/矽複合物)層。
一種電池，其包含：一第一電流收集器、一毗連該第一電流收集器的陽極層、一毗連該陽極層的電解質層、一毗連該電解質層的陰極層及一毗連該陰極層的第二電流收集器，該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，及該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該陰極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該陰極層具有至少一個平滑表面；該陰極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
任何前述或下列建置之電池，其中該電解質層包含一固態電解質層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
任何前述或下列建置之電池，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
任何前述或下列建置之電池，其中該第一電流收集器包含一銅基材料。
任何前述或下列建置之電池，其中該第二電流收集器包含一鋁基材料。
一種形成電極的XABC方法。
一種XABC LCO電極。
一種根據XABC方法製造的XABC LCO電極。
一種使用XABC LCO電極的裝置。
任何前述建置之結構，其中該LCO包含XABC LCO。
一種製造任何前述建置之結構的方法。
一種XABC LCO的固態建置。
一種電極、活性堆疊、電池、任何前述建置之裝置或方法，其中對液態電解質及大概對固態電解質來說，該電極具有密度約10%至約100%。
一種用於電池的電極，該電極包含：一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層。
一種用於電池的電極，該電極包含：一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層包含一具有一或多種下列性質的材料：(i)高密度；(ii)自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度；(iii)至少一個平滑表面；及(iv)一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種用於電池的電極，該電極包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種用於電池的電極，該電極包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，該LiCoO2 (LCO)材料層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種用於電池的電極，該電極包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該電極層具有至少一個平滑表面；該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種用於電池的電極，該電極包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)材料的電極層，該LiCoO2 (LCO)材料的電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該電極層具有至少一個平滑表面；該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
任何前述建置之電極，其中該電極係一電池的構件。
一種具有一電極層的電池，其改良包含：一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層。
一種具有一電極層的電池，其改良包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種具有一電極層的電池，其改良包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該電極層具有至少一個平滑表面；該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種具有一電極層的電池，其改良包含：一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層，該電極層包含一具有一或多種下列性質的材料：(i)高密度；(ii)自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度；(iii)至少一個平滑表面；及(iv)一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種具有一電極層的電池，其改良包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，該LiCoO2 (LCO)材料層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種具有一電極層的電池，其改良包含：一全緻密LiCoO2 (LCO)材料的電極層，該LiCoO2 (LCO)材料之電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該電極層具有至少一個平滑表面；該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
一種用於電池的活性堆疊，該活性堆疊包含：一陽極層、一陰極層及一在該陽極層與陰極層間之電解質層，其中該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種用於電池的活性堆疊，該活性堆疊包含：一陽極層、一陰極層及一在該陽極層與陰極層間之電解質層，該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該陰極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該陰極層具有至少一個平滑表面；該陰極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
任何前述建置的活性堆疊，其中該電解質層包含一固態電解質層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
任何前述建置的活性堆疊，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
一種電池，其包含：一第一電流收集器、一毗連該第一電流收集器的陽極層、一毗連該陽極層的電解質層、一毗連該電解質層的陰極層及一毗連該陰極層的第二電流收集器，其中該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
一種電池，其包含：一第一電流收集器、一毗連該第一電流收集器的陽極層、一毗連該陽極層的電解質層、一毗連該電解質層的陰極層及一毗連該陰極層的第二電流收集器，該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層，及該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向，該陰極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度，該陰極層具有至少一個平滑表面；該陰極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
任何前述建置的電池，其中該電解質層包含一固態電解質層，及其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
任何前述建置的電池，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
任何前述建置的電池，其中該第一電流收集器包含一銅基材料。
任何前述建置的電池，其中該第二電流收集器包含一鋁基材料。
一種形成電極材料的方法，其包含：形成一LiOH與KOH之混合物；藉由加熱該LiOH與KOH之混合物形成一熔融物；加入CoO及讓該CoO溶解在該熔融物中；及將一鋁基材插入該熔融物中及讓LiCoO2 電鍍到該鋁基材上且具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的結晶定向，其中該結晶定向係該電鍍之函數。
任何前述建置之方法，其中該LiOH與KOH之混合物包含約8克的KOH與約0.75克的LiOH。
任何前述建置之方法，更包含：將該LiOH與KOH之混合物加熱至約350 ℃，及將約0.5克的CoO加入至該混合物。
任何前述建置之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約1毫安培/平方公分的低定電流密度來形成(003)定向的LiCoO2 。
任何前述建置之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約30毫安培/平方公分的脈衝來形成(001)定向的LiCoO2 ，脈衝為約2秒且在脈衝間停止約5秒。
任何前述建置之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約20毫安培/平方公分的脈衝來形成多晶(110)、(001)定向的LiCoO2 ，脈衝為約5秒且在脈衝間停止約5秒。
任何前述建置之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約20毫安培/平方公分的脈衝來形成(110)定向的LiCoO2 ，脈衝為約2秒且在脈衝間停止約5秒。
如於本文中所使用，用語「建置」意欲包括但不限於具體實例、實施例或實行於本文中所描述的技術之其它形式。
如於本文中所使用，除非上下文有明確指定，否則單一用語「一」、「一種」及「該」可包括複數個指示對象。對單一物體之參照不意欲意謂著「一種及僅有一種」除非有明白地如此描述，而是其係指為「一或多種」。
在本揭示中的措辭構思，諸如「A、B及/或C」係描述出A、B或C可存在，或A、B及C項目之任何組合的任一種。指示出列出一群元素接著諸如「…之至少一種」的措辭構思指示出這群元素之至少一種係存在，其包括所列出的元素如合適之任何可能組合。
在本揭示中指出「具體實例」、「至少一個具體實例」或類似的具體實例用字之參照指示出與所描述的具體實例連接而描述之特別的構形、結構或特徵係包括在本揭示的至少一個具體實例中。因此，這麼多樣的具體實例措辭不需全部指為相同具體實例，或與所描述的全部其它具體實例不同之特定具體實例。該具體實例措辭應該解釋為意謂著所供給的具體實例之特別的構形、結構或特徵可在所揭示的裝置、系統或方法之一或多個具體實例中以任何合適的方式結合。
如於本文中所使用，用語「組」指為一或多個物體之聚集。因此，例如，一組物體可包括單一物體或多個物體。
關係用語諸如第一及第二、頂端及底部及其類似用語可單獨地使用來區別一種實體或動作與另一種實體或動作，而沒有必然要求或暗示在此等實體或動作間有任何實際的此關係或順序。
用語「包含(comprises)」、「包含(comprising)」、「具有(has)」、「具有(having)」、「包括(includes)」、「包括(including)」、「包括(contains)」、「包括(containing)」或其任何其它變化意欲涵蓋非排他性包含，如此包含、具有、包括所列出的元素之製程、方法、物件或裝置不僅包括那些元素而且可包括未明確列出或此製程、方法、物件或裝置固有的其它元素。由「包含…一種」、「具有…一種」、「包括…一種」所開展的元素不排除，沒有更多限制，在包含、具有、包括該元素的製程、方法、物件或裝置中有額外相同的元素存在。
如於本文中所使用，用語「大約」、「約略」、「實質上」、「基本上」及「約」或其任何其它形式係使用來描述及說明小的變化。當與一事件或狀況相關連使用時，該用語可指為該事件或狀況精確地發生的例子和該事件或狀況發生至近似逼近的例子。當與數值相關連使用時，該用語可指為少於或等於該數值的±10%之變化範圍，諸如少於或等於±5%、少於或等於±4%、少於或等於±3%、少於或等於±2%、少於或等於±1%、少於或等於±0.5%、少於或等於±0.1%、或少於或等於±0.05%。例如，「實質上」對準可指為少於或等於±10°的角度變化範圍，諸如少於或等於±5°、少於或等於±4°、少於或等於±3°、少於或等於±2°、少於或等於±1°、少於或等於±0.5°、少於或等於±0.1°、或少於或等於±0.05°。
額外地，量、比率及其它數值於本文中有時可以範圍形式顯現。要瞭解的是，此範圍形式係為了方便及簡潔而使用及應該彈性地了解為包括明白地指明為範圍之極限的數值，而且亦包括全部各別數值或包括在其範圍內之子範圍，如若每個數值及子範圍係明白地指明般。例如，在約1至約200之範圍內的比率應該了解為包括明白地敘述出之約1及約200的極限，而且亦包括各別的比率，諸如約2、約3及約4；及子範圍，諸如約10至約50、約20至約100等等。
於本文中所使用的用語「耦合」係定義為連接，然而不必直接地及不必機械地。以某一方式「組裝」的裝置或結構係以至少該方式組裝，但是亦可以未列出的方式組裝。
利益、優點、問題之解答及可造成任何利益、優點或解答發生或變得更明顯之任何元素不欲解釋為於本文或任何或全部請求項中所描述的技術之關鍵、需要或基本特徵或元素。
此外，在前述揭示中，為了精簡揭示的目的，可在多個具體實例中一起歸納多種特徵。本揭示的方法不欲解釋為反映出所主張的具體實例需要比在每個請求項中已明確敘述出者更多特徵之目的。發明標目可處在少於單一揭示的具體實例之全部特徵。
提供揭示摘要以允許讀者快速查明本工藝揭示的本質。該理解所要提交的是，其將不使用來解釋或限制申請專利範圍之範圍或意義。
將要察知的是，某些管轄權之實行可需要在該申請案提出後刪除本揭示的一或多個部分。此外，當提起本揭示的原始內容訴訟時，讀者應該查閱本申請案。本揭示的內容之任何刪除不應該解釋為該申請案如原始提出般之任何主題的拋棄聲明、棄權或奉獻給大眾。
下列申請專利範圍藉此併入本揭示中，其中每個請求項各自獨立如為分別主張的主題。
雖然本說明於此包括許多細節，這些不應該解釋為限制本揭示之範圍而是全然作為提供目前較佳具體實例的某些之闡明。因此，將察知的是，本揭示的範圍完全包括可由熟習該項技術者變明瞭之其它具體實例。
所揭示的具體實例之元素其由一般熟悉此技藝之人士已知的全部結構及功能性同等物明確地以參考之方式併入本文及意欲由本申請專利範圍所包含。再者，在本揭示中並無元素、構件或方法步驟意欲奉獻給大眾，不管該元素、構件或方法步驟是否在本申請專利範圍中明白地敘述。於本文中並無申請專利範圍元素欲解釋為「功能附加手段」元素，除非該元素明確地使用措辭「用於…的手段」來敘述。於本文中並無申請專利範圍元素欲解釋為「功能附加步驟」元素，除非該元素明確地使用措辭「用於…的步驟」來敘述。 表1 定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極於多種速率下之電容量的表列值
放電速率 XABC LCO 商業漿體鑄造的LCO
C/5 100% 100%
C/2 98.7% 98.1%
1C 93.6% 94.3%
2C 73.5% 74.4%
10,24,28:(003)定向 12:(104),(101),(110)定向 14,32:(101),(110)定向 16,18,34:(110)定向 20:(101)定向 22:(104)定向 26:基材 30:多晶 36,40:4.3伏特上掃描線 38,42:4.5伏特下掃描線 44:截面 46,102:放大圖 48,52,58:由上往下的圖 50:巨觀圖 54,56:截面圖 60,62:由上往下的放大圖 64:縮小圖 66:充電循環 68:放電循環 70:固態電池組態 72:第一電流收集器 74:陽極層 76:固態電解質層 78:陰極層 80:第二電流收集器 82:(110)結晶定向的LCO 84:圖式圖 86:柱 88,98,100:XABC LCO 90:緻密的樹狀(110)形態 92:圖式 94:LCO 96:非柱狀晶界 104,106:電池 108,110:陰極 112,114:電解質層 116:柱狀XABC LCO
於本文中所描述的技術將藉由參照僅用於闡明目的之下列圖形而更完整地了解：
圖1A及圖1B：LiCoO2 (LCO)的球棒模型，其具有c軸在平面中(圖1A)及a軸及b軸出平面(圖1B)，其中在二者圖形中的網點圖案代表Co、線條圖案代表Li及缺乏的圖案代表O。
圖2A：呈多種結晶定向的LCO之掃描式電子顯微鏡影像。
圖2B：圖式顯示出賦予所描述的技術能力之不同的結晶定向。
圖2C：呈多種結晶定向的LCO之XRD。
圖2D：呈(110)定向的LCO於二種不同截止電壓(4.3伏特上掃描線(upper trace)及4.5伏特下掃描線(lower trace)，二者對Li/Li+ )處之循環壽命。
圖2E：呈(003)定向的LCO於二種不同截止電壓(4.3伏特上掃描線及4.5伏特下掃描線，二者對Li/Li+ )處之循環壽命。
圖3：顯示出呈(110)定向生長的XABC LCO之擴散性的曲線圖，其係藉由恆電流間歇式滴定技術(呈三電極組態)於多種電荷狀態下測量。
圖4A：定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極之SEM。
圖4B：定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極之XRD。
圖4C：定向在(110)方向上的60微米XABC LCO電極於多種放電速率下之恆電流掃描線。
圖4D：商業LCO電極在多種放電速率下之恆電流掃描線。
圖4E：XABC LCO電極之按體積正規化及在多種放電速率下運行的恆電流掃描線。
圖4F：商業LCO電極之按體積正規化及在多種放電速率下運行的恆電流掃描線。
圖5A：定向在(110)方向上的120微米XABC LCO電極之由上往下的SEM圖。
圖5B：定向在(110)方向上的120微米XABC LCO電極之截面SEM圖。
圖5C：定向在(110)方向上的120微米XABC LCO電極之恆電流掃描線。
圖5D：定向在(110)方向上的120微米XABC電極之充放電能力(rate capability)。
圖5E：定向在(110)方向上的120微米XABC LCO電極之XRD。
圖6A：定向在(110)方向上的240微米XABC LCO電極之截面SEM圖。
圖6B：定向在(110)方向上的240微米XABC LCO電極之由上往下的SEM圖。
圖6C：定向在(110)方向上的240微米XABC LCO電極之恆電流掃描線。
圖6D：定向在(110)方向上的240微米XABC LCO電極之XRD。
圖7：根據本技術的固態電池之具體實例的圖式。
圖8A：具有(110)形態之呈柱狀形態生長的XABC LCO之截面SEM。
圖8B：柱狀形態之圖式。
圖8C：具有(110)形態之具有緻密樹狀形態的XABC LCO之截面SEM。
圖8D：具有非柱狀晶界的LCO之圖式。
圖9A：呈低表面粗糙度生長的XABC LCO之截面SEM。
圖9B：呈低表面粗糙度生長的XABC LCO之頂端表面SEM。
圖9C：呈低表面粗糙度生長的XABC LCO之光學輪廓儀測量。
圖10A及圖10B：顯示出表面粗糙度在固態電解質分隔層厚度上之效應的圖式圖。
圖11：柱狀XABC LCO的SEM，其闡明該空洞分佈係以條紋分配在柱間。
圖12A：在用於XRD分析的不同電壓處停止之商業LCO其於那些多種電壓下之電壓對電容量。
圖12B：在不同截止電壓下的商業LCO之XRD。
圖13A：在用於XRD分析之由圓形指示出的不同電壓處停止之XABC (110) LCO其於那些多種電壓下之電壓對電容量。
圖13B：在不同截止電壓下的Xerion LCO之XRD演化。
圖14A：在由圓形指示岀的不同電壓處停止之XABC (003) LCO其電壓對電容量。
圖14B：在不同截止電壓下的Xerion LCO之XRD演化。
圖15A：使用來預循環該用於熱測試的商業LCO電極之電極的恆電流掃描線。
圖15B：商業LCO電極於液態電解質存在下，在215 ℃下熱處理10分鐘後，於4.3伏特Li/Li+ 下的恆電流掃描線。
圖16A：使用來預循環該用於熱測試之定向在(003)方向上的XABC LCO電極之電極的恆電流掃描線。
圖16B：定向在(003)方向上的XABC LCO電極於液態電解質存在下，在215 ℃下熱處理10分鐘後，於4.3伏特Li/Li+ 下之恆電流掃描線。
圖17A：使用來預循環該用於熱測試之定向在(110)方向上的XABC LCO電極之電極的恆電流掃描線。
圖17B：定向在(110)方向上的XABC LCO電極於液態電解質存在下，在215 ℃下熱處理10分鐘後，於4.3伏特Li/Li+ 下之恆電流掃描線。
圖18：XABC及商業電極二者之DCS曲線圖。
圖19A：具有下列組態的固態電池之恆電流掃描線：XABC LCO∥TEGDME聚合物電解質∥鋰。
圖19B：具有下列組態的固態電池之循環壽命穩定性曲線圖：XABC LCO∥TEGDME聚合物電解質∥鋰。
圖20：含及不含熱處理的XABC LCO之恆電流掃描線。
70:固態電池組態
72:第一電流收集器
74:陽極層
76:固態電解質層
78:陰極層
80:第二電流收集器

Claims (41)

  1. 一種用於電池的電極，該電極包含： 一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層。
  2. 如請求項1之電極，其中該電極係一電池的構件。
  3. 一種具有電極層的電池之改良，包含： 一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層。
  4. 一種用於電池的電極，該電極包含： 一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層； 該電極層包含一具有一或多種下列性質之材料： (i)高密度； (ii)自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； (iii)至少一個平滑表面；及 (iv)一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  5. 如請求項4之電極，其中該電極係一電池的構件。
  6. 一種具有電極層的電池之改良，包含： 一具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向之LiCoO2 (LCO)電極層； 該電極層包含一具有一或多種下列性質的材料： (i)高密度； (ii)自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； (iii)至少一個平滑表面；及 (iv)一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  7. 一種用於電池的電極，該電極包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層； 該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
  8. 如請求項7之電極，其中該電極係一電池的構件。
  9. 一種具有電極層的電池，其改良包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層； 該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
  10. 一種用於電池的電極，該電極包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層； 該LiCoO2 (LCO)材料層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
  11. 如請求項10之電極，其中該電極係一電池的構件。
  12. 一種具有電極層的電池之改良，包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層； 該LiCoO2 (LCO)材料層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
  13. 一種用於電池的電極，該電極包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層； 該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向； 該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； 該電極層具有至少一個平滑表面； 該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  14. 如請求項13之電極，其中該電極係一電池的構件。
  15. 一種具有電極層的電池之改良，包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)電極層； 該電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向； 該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； 該電極層具有至少一個平滑表面； 該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  16. 一種用於電池的電極，該電極包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)材料的電極層； 該LiCoO2 (LCO)材料的電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向； 該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； 該電極層具有至少一個平滑表面； 該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  17. 如請求項16之電極，其中該電極係一電池的構件。
  18. 一種具有電極層的電池之改良，包含： 一全緻密LiCoO2 (LCO)材料的電極層； 該LiCoO2 (LCO)材料的電極層具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向； 該電極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； 該電極層具有至少一個平滑表面； 該電極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  19. 一種用於電池的活性堆疊，該活性堆疊包含： 一陽極層； 一陰極層；及 一在該陽極層與陰極層間之電解質層； 其中該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層；及 其中該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
  20. 如請求項19之活性堆疊， 其中該電解質層包含一固態電解質層；及 其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
  21. 如請求項19之活性堆疊，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
  22. 一種用於電池的活性堆疊，該活性堆疊包含： 一陽極層； 一陰極層；及 一在該陽極層與陰極層間之電解質層； 該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層； 該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向； 該陰極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； 該陰極層具有至少一個平滑表面； 該陰極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  23. 如請求項22之活性堆疊： 其中該電解質層包含一固態電解質層；及 其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
  24. 如請求項22之活性堆疊，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
  25. 一種電池，其包含： 一第一電流收集器； 一毗連該第一電流收集器的陽極層； 一毗連該陽極層的電解質層； 一毗連該電解質層的陰極層；及 一毗連該陰極層的第二電流收集器； 其中該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層；及 其中該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向。
  26. 如請求項25之電池， 其中該電解質層包含一固態電解質層；及 其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
  27. 如請求項25之電池，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
  28. 如請求項25之電池，其中該第一電流收集器包含一銅基材料。
  29. 如請求項25之電池，其中該第二電流收集器包含一鋁基材料。
  30. 一種電池，其包含： 一第一電流收集器； 一毗連該第一電流收集器的陽極層； 一毗連該陽極層的電解質層； 一毗連該電解質層的陰極層；及 一毗連該陰極層的第二電流收集器； 該陰極層包含一全緻密LiCoO2 (LCO)材料層；及 該LiCoO2 (LCO)材料具有選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的晶體定向； 該陰極層具有自少於約1微米至約200微米或更厚的厚度； 該陰極層具有至少一個平滑表面； 該陰極層具有一在表面間具有連續晶粒之表面，其中該晶粒在該表面間產生傳導路徑。
  31. 如請求項30之電池， 其中該電解質層包含一固態電解質層；及 其中該LiCoO2 (LCO)材料層面對該電解質層具有一平滑表面。
  32. 如請求項30之電池，其中該陽極層包含一鋰離子基活性材料層。
  33. 如請求項30之電池，其中該第一電流收集器包含一銅基材料。
  34. 如請求項30之電池，其中該第二電流收集器包含一鋁基材料。
  35. 一種形成電極材料的方法，其包含： 形成一LiOH與KOH之混合物； 藉由加熱該LiOH與KOH之混合物形成一熔融物； 加入CoO及讓該CoO溶解在該熔融物中；及 將一鋁基材插入該熔融物中及讓LiCoO2 以選自於由(110)、(101)、(104)及(003)所組成之群的結晶定向電鍍到該鋁基材上； 其中該結晶定向係該電鍍的函數。
  36. 如請求項35之方法，其中該LiOH與KOH的混合物包含約8克的KOH與約0.75克的LiOH。
  37. 如請求項36之方法，更包含： 將該LiOH與KOH之混合物加熱至約350 ℃；及 將約0.5克的CoO加入至該混合物。
  38. 如請求項35之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極(counter electrode)間施加約1毫安培/平方公分之低定電流密度來形成(003)定向的LiCoO2 。
  39. 如請求項35之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約30毫安培/平方公分的脈衝來形成(001)定向的LiCoO2 ，脈衝為約2秒且在脈衝間停止約5秒。
  40. 如請求項35之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約20毫安培/平方公分的脈衝來形成多晶(110)、(001)定向的LiCoO2 ，脈衝為約5秒且在脈衝間停止約5秒。
  41. 如請求項35之方法，更包含藉由在工作電極與相對電極間施加約20毫安培/平方公分的脈衝來形成(110)定向的LiCoO2 ，脈衝為約2秒且在脈衝間停止約5秒。
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