柔性复合固体聚合物电化学膜制造技术

本发明专利技术公开了一种柔性复合固体聚合物电化学膜。固态电池包括：柔性聚合物片以及由所述片支撑并且延伸穿过所述片的固态柱的阵列。每个柱具有阳极层、相邻的阴极层和设置在阳极层与阴极层之间的无机固体电解质(ISE)层。柔性电化学膜包括：柔性聚合物片和由所述聚合物片支撑的无机固体电解质柱的阵列，并且每个柱延伸穿过所述片的厚度以形成经由此处的离子性传导通路。

【技术实现步骤摘要】
柔性复合固体聚合物电化学膜
各种实施例涉及一种柔性复合电化学膜或固态电池及其制造方法。
技术介绍
电化学膜是一种在膜两端之间提供离子传输的半渗透膜或渗透膜。离子传输可通过扩散、迁移或对流进行，并且响应于膜两端之间的化学浓度的差异或者在诸如电池隔板、燃料电池膜和液流电池膜等的器件中的电极化而发生。电化学膜例如在水软化器系统中可用作离子交换器件。电化学膜例如在诸如氟离子传感器的传感器中也可以用作离子选择性膜。 诸如锂离子电池的电池通常包括与多孔聚合物膜结合使用的诸如有机碳酸酯类电解质的液体电解质。有机液体电解质的不利性质在于，如果不进行适当的处理则会出现热事件的风险。对于液体电解质来说更安全的替代物包括无孔固体或聚合物电解质。聚合物电解质具有柔性，但对于电化学应用中的使用来说通常具有过低的离子传导性。对于电化学应用中的使用来说，包括无机固体电解质(ISE)材料的固体电解质具有足够高的离子传导性，但其是刚性的或非柔性的。不同的ISE呈现出可与目前液体电解质相当的离子传导性，具有抗热事件性并且在结构上是防止锂金属枝晶生长导致的穿透和可能短路的刚性或非柔性。ISE的优点通常仅在纯固态电池(SSB)中实现，在SSB中，ISE是致密的烧结板并且该板层叠或堆叠在电池中。例如，对于汽车电池(automotive battery)来说,难以批量生产这种电池构造。对于ISE电池的另一限制是任何活性物质必须与ISE紧密地物理接触以允许离子传输。对于致密烧结的ISE板来说，这样会限制其应用于直接沉积到电解质的表面上的活性物质的薄层。由于这些原因，无机固体电解质目前仅被用在薄膜电池中，在该薄膜电池中，阴极、固体电解质和阳极是通过诸如溅射的气相沉积技术逐层沉积的。 能够被归入绕卷电池(例如，螺旋形电池)中的具有柔性膜的电池通过连续的辊使得可以大量生产。近来，将通过包封在聚合物溶液中的ISE颗粒的随机分散而浇注成的柔性复合膜与传统的液体电解质结合使用，从而随着柔性膜和绕卷电池允许ISE材料的使用。对于诸如电池的电化学应用来说，这种膜通常具有非常低的离子传导性，这很可能是由于无机颗粒与聚合物矩阵之间的高界面阻力。 因此，对于具有ISE的电化学膜存在需求，该ISE是柔性的并且具有高离子传导性。
技术实现思路
根据实施例，提供一种固态电池，所述固态电池具有:柔性聚合物片，具有第一侧和相对的第二侧。ISE柱的阵列由聚合物矩阵支撑并且阵列延伸穿过所述片。每个柱具有与第一侧相邻的阳极层、与第二侧相邻的阴极层和设置在阳极层与阴极层之间的无机固体电解质(ISE)层。 根据另一实施例，提供一种柔性电化学膜，所述柔性电化学膜具有:柔性聚合物片，具有第一侧和相对的第二侧。无机固体电解质柱的阵列由聚合物片支撑。每个柱具有与第一侧相邻的第一端部和与第二侧相邻的第二端部，使得每个柱延伸穿过所述片的厚度并且形成经由此处的离子性传导通路。 所述柱的阵列可以被构造为对所述膜提供机械强度，其中，所述聚合物片可以被构造为对膜提供柔性。 所述聚合物片可以具有第一聚合物层和第二聚合物层。 聚合物片可以包括聚合物共混物和共聚物中的一种。 每个柱可以具有大致圆柱形的剖面。 根据又一实施例，提供一种形成电化学膜的方法。即:使无机固体电解质(ISE)前驱体沉积到基底上。使ISE前驱体图案化，以形成包括ISE材料的固态柱的阵列。使柔性聚合物层沉积到基底上，以围绕并支撑每个柱。去除基底以获得自支撑的膜。 所述形成电化学膜的方法还可以包括:使阳极材料沉积到基底上；以及使阴极材料沉积到基底上。每个柱包括设置在阳极材料与阴极材料之间的无机固体电解质材料。 所述形成电化学膜的方法还可以包括处理基底上的无机固体电解质前驱体，以致密地烧结无机固体电解质材料。 在所述形成电化学膜的方法中，使无机固体电解质前驱体图案化以形成阵列的方法可以包括:在基底上形成模板化的表面，使得无机固体电解质前驱体自组装为所述阵列。 根据另一实施例，提供一种用于形成电化学膜的方法。即:使第一聚合物层沉积到基底上。使第二聚合物沉积到基底上。使第一聚合物层和第二聚合物层图案化，以形成图案化表面。以第一聚合物层支撑并围绕每个柱的方式使无机固体电解质(ISE)材料沉积到图案化表面上，以形成包括ISE材料的固态柱的阵列。ISE材料沉积之后移除第二聚合物层。移除基底以获得自支撑膜。 所述用于形成电化学膜的方法还可以包括:使阳极材料沉积到基底上；以及使阴极材料沉积到基底上，其中，每个柱包括设置在阳极材料与阴极材料之间的无机固体电解质材料。 本公开的各实施例具有很多非限定性优点。例如，无机固体电解质主要应用在诸如具有堆叠的层的薄膜电池的应用中，并且这些层需要昂贵的气相沉积技术来制造它们。然而，可以通过诸如陶瓷处理、蚀刻和溶液浇注等的具有成本效益的技术来制造在这里所描述的自支撑柔性复合固体电解质膜。制成的复合膜是柔性的，因此可用在需要柔性电化学膜或结构的很多技术(包括锂离子电池、燃料电池和液流电池等的这样的各种固态电池单元设计)中。这些膜可在消除或减少对于液体电解质的需求的同时，显著地改善Li离子电池的性能。将垂直排列的ISE阵列并入到聚合物电解质矩阵中提高了机械性能，并且复合聚合物膜的离子传导性高于现有的聚合物分隔膜。当以锂金属阳极的形式使用时，在诸如硬度的机械性能方面的增强提供了锂枝晶生长的抑制。ISE柱提供了在膜两端之间的直接离子通路，以及对于该膜来说高得多的离子传导性。 【附图说明】 图1是根据实施例的电化学膜的剖面侧视图； 图2是图1的膜的俯视图； 图3是根据另一实施例的电化学膜的剖面侧视图； 图4是根据又一实施例的电化学膜的剖面侧视图； 图5是根据实施例的柔性固态电池的剖面侧视图； 图6是根据另一实施例的柔性固态电池的剖面侧视图； 图7是示出根据实施例的用于形成电化学膜的工艺的示意图； 图8是示出根据实施例的用于形成固态电池的工艺的示意图； 图9是示出根据另一实施例的用于形成电化学膜的工艺的示意图。 【具体实施方式】 根据需要，将本专利技术的详细实施例公开于此，然而，将要理解的是，所公开的实施例仅是本专利技术的可以以各种方式和替换方式实施的示例。附图不必然按比例绘制，一些特征可以被夸大或缩小以示出特定组件的细节。因此，在此所公开的特定结构性和功能性细节不被解释为是限制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以不同方式采用本专利技术的典型性基础。化学术语中的成分的描述是指添加到说明书中说明的任意组合时的成分，并且不必然排除一旦混合之后混合物的成分之间的化学相互作用。 图1至图2示出了根据本公开的实施例的膜10。膜10是自支撑的并且是柔性的。膜10是包括固体ISE柱16的阵列14的聚合物载体或片12的复合物。阵列14中的柱16可以如所示垂直排列。阵列14的柱16可以利用由聚合物载体12所提供的聚合物矩阵在隔板或膜10的平面中结合在一起。 柱16连续地跨过膜10的厚度18。每个柱16具有第一端部20和与第一端部轴向相对的第二端部22。第一端部20和第二端部22露出，没有被聚合物片12覆盖。聚合物片12具有第一侧面24和第二侧面26。如图1中所示，柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态电池，所述固态电池包括：柔性聚合物片，具有第一侧和相对的第二侧；以及固态柱的阵列，由所述片支撑并且延伸穿过所述片，每个柱具有与第一侧相邻的阳极层、与第二侧相邻的阴极层和设置在阳极层与阴极层之间的无机固体电解质层。

【技术特征摘要】
2013.07.16 US 13/943,0821.一种固态电池，所述固态电池包括: 柔性聚合物片，具有第一侧和相对的第二侧；以及 固态柱的阵列，由所述片支撑并且延伸穿过所述片，每个柱具有与第一侧相邻的阳极层、与第二侧相邻的阴极层和设置在阳极层与阴极层之间的无机固体电解质层。2.根据权利要求1所述的电池，其中，每个柱的阳极层形成远离第一侧延伸的凸起，以增加阳极层的暴露的表面积。3.根据权利要求1所述的电池，其中，每个柱的阴极层形成远离第二侧延伸的凸起，以增加阴极层的暴露的表面积。4.根据权利要求1所述的电池，其中，所述聚合物为非离子传导性。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：凡卡塔拉玛尼·阿南丹，安德鲁·罗伯特·德鲁斯，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US