固态电池的钛酸锂阳极和制造方法技术

本公开提供了“固态电池的钛酸锂阳极和制造方法”。一种固态电池，包括正极、负极和在所述正极与所述负极之间的隔片。所述负极包括被还原的钛酸锂(LTO)颗粒和固体电解质颗粒。所述负极缺少电子导电添加剂。

Lithium Titanate Anode for Solid State Batteries and Its Manufacturing Method

【技术实现步骤摘要】
固态电池的钛酸锂阳极和制造方法
本公开涉及一种固态电池及其制造方法。
技术介绍
固态电池(SSB)为具有液体电解质的常规锂离子电池提供了替代方案。典型地，SSB包括固体电极和固体电解质材料。固体电解质可以是耐锂枝晶的，这可能导致内部短路并是易燃且不稳定的液体电池电解质的替代。用于SSB的固体电解质典型地用作在两个电极之间的隔片，并且必须对锂离子有高传导性，但是具有非常低的电子导电率。因此，SSB可能具有非常低的自放电率。由于所使用的材料，SSB减少电解质泄漏和电解质与活性材料之间的反应并提供长保质期和高能量密度。SSB具有提供优于常规锂离子电池的其它益处的潜力，诸如更好的能量密度。典型地，为了提供大于约700Wh/L的能量密度，SSB必须使用锂金属作为阳极材料。然而，由于固体电解质隔片中的锂枝晶生长、在循环期间阳极的体积变化、锂/电解质界面的降解以及与各种固体电解质材料的不相容性，在SSB中使用锂金属是有挑战性的。锂金属基阳极的替代之一是钛酸锂(LTO)。与高电压阴极(诸如LMNO)耦合的LTO阳极可能能够输送约700Wh/L。此外，使用LTO作为阳极材料典型地提供诸如低体积变化和与各种固体电解质的良好的相容性的益处，以使LTO成为用于SSB的有吸引力的材料。已开发了形成SSB的各种方法。然而，制造高能量密度SSB例如因合适的固体电解质对大气湿度的高灵敏度而一直是个挑战。在电极的活性材料与固体电解质颗粒之间也难以实现良好的界面电阻。例如，在约900℃的高温下烧结用于提供电解质与活性材料之间的界面接触，但是因高温而面临着碳作为电子导体的问题。
技术实现思路
根据一个实施例，公开了一种固态电池。所述固态电池包括正极、负极和在所述正极与所述负极之间的隔片。所述负极包括被还原的钛酸锂(LTO)颗粒和固体电解质颗粒。另外，所述负极缺少电子导电添加剂。根据一个或多个实施例，所述被还原的LTO颗粒可以是在还原性气氛中在约300℃至1200℃的温度下处理的原始LTO颗粒。此外，所述还原性气氛可以是含有CO、H2、碳氢化合物、H2/N2、H2/Ar或其组合的气体环境。在一些实施例中，所述被还原的LTO颗粒包括氧缺陷。在其它实施例中，所述被还原的LTO颗粒可以包括掺杂剂。所述掺杂剂可以是Mg2+、Zn2+、Al3+、Ni2+、Mo6+、Cu2+或其组合。在一个或多个实施例中，所述电子导电添加剂可以是碳或金属颗粒。根据一个实施例，公开了一种用于形成固态电极总成的方法。所述方法包括：提供被还原的LTO颗粒；将所述被还原的LTO颗粒与固体电解质颗粒混合以形成混合物；将所述混合物制造成阳极板；将所述阳极板与隔片板和阴极板布置在一起以形成堆叠；层压所述堆叠；以及烧结所述堆叠以形成所述总成。根据一个或多个实施例，所述制造可以包括使所述阳极板流延成型。在一些实施例中，所述烧结可以在惰性气氛中进行。此外，所述惰性气氛可以是氩或氮气氛。在一个或多个实施例中，所述提供可以包括在还原性气氛中在约300℃至1200℃的温度下处理原始LTO。根据一个或多个实施例，所述方法还可以包括用Mg2+、Zn2+、Al3+、Ni2+、Mo6+、Cu2+或其组合掺杂原始LTO以形成所述被还原的LTO颗粒。在一些实施例中，所述混合可以包括基于预定期望容量和速率能力而选择被还原的LTO颗粒与固体电解质的比率。根据一个实施例，公开了一种用于形成固态电极总成的方法。所述方法包括：提供原始LTO颗粒和固体电解质颗粒的混合物；将所述混合物制造成阳极板；将所述阳极板与隔片板和阴极板布置在一起以形成堆叠；层压所述堆叠；以及在还原性气氛中烧结所述堆叠以将所述原始LTO还原成被还原的LTO。根据一个或多个实施例，所述烧结可以在含有CO、H2、碳氢化合物、H2/N2、H2/Ar或其组合的气体环境中进行。在一些实施例中，所述烧结不会还原所述隔片板和所述阴极板。在一个或多个实施例中，所述烧结可以在至少约300℃下进行。在一些实施例中，所述制造可以包括使所述阳极板流延成型。根据一个或多个实施例，所述方法还可以包括基于所述被还原的LTO颗粒的预定期望容量和速率能力而选择原始LTO颗粒与固体电解质的比率。附图说明图1A示出了常规固态电池的横截面的示意图。图1B示出了图1A的固态电池的常规阳极的局部示意图。图2A示出了根据一个实施例的固态电池的横截面的示意图。图2B示出了根据一个实施例的图2A的固态电池的阳极的局部示意图。具体实施方式按照需要，本文公开了本专利技术的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅是可体现为各种形式和替代形式的本专利技术的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅作为教导本领域的技术人员以不同方式采用本专利技术的代表性基础。对于全固态电池(SSB)单元来说，设计电极内的两个单独的导电沟道的特性是特别困难的。在SSB中利用LTO的主要挑战是LTO的低电子导电性，LTO的低电子导电性导致不良的速率性能。与常规锂离子电池(其中LTO阳极中的电子导电性通过向电极浆料中添加1重量％至3重量％的碳颗粒而增强，电极浆料浇铸在金属集流体上，其中碳颗粒在电极内形成渗流网络，以为电子提供良好通路)不同，将含有碳的阳极结构用于SSB是有挑战性的，因为SSB制造需要高温烧结(>700℃)，典型地在可能导致碳燃烧的空气或氧气环境中。在惰性环境中进行相同操作也可能会失败，因为在高温下，碳可以充当活性材料和固体电解质的还原剂。活性材料和固体电解质的还原可能导致电子导电、离子导电或两者的损失。这最后一个问题可以通过使用在高温下稳定并电子导电的氧化物添加剂来克服，但是实现高导电性是难得的并通常是昂贵的。此外，提供穿过具有固体添加剂材料的电极的厚度的任一导电沟道可能是困难的，因为直接颗粒对颗粒接触是有效导电必需的，无论是在固体材料的导电颗粒之间，还是在固体材料的导电颗粒之间与活性材料的颗粒之间。由于电子导电添加剂和离子导电添加剂都需要与活性材料颗粒固-固接触，因此添加一种组分会干扰另一种组分的功能。在一些情况下，金属颗粒(或电子添加剂)可能在制造过程期间沉降在固体电解质颗粒之间或固体电解质和活性颗粒之间，这可能阻碍离子导电通路而导致性能不良。图1A和图1B示出了常规固态电池100。固态电池100可以是一次电池、二次电池或可再充电电池(例如，锂离子电池)。电池100包括负极和正极(分别为阳极110和阴极130)，以及它们之间的隔片120。常规阳极110包括固体电解质140和活性材料150的颗粒。固体电解质140可以是离子导电的，具有可忽略电子导电率，以在整个电池中形成用于离子导电的连续网络。活性材料150可以是锂离子源，诸如锂金属或钛酸锂(LTO)。常规阳极110还包括电子导体160的颗粒，诸如碳或金属颗粒，以在整个电池中形成用于电子导电的连续网络。离子通路170被示出为在活性材料150与固体电解质140之间。导电通路180被示出为从活性材料150穿过电子导体颗粒160。隔片120可以是无孔隔片，具有用于在电极之间传输离子的离子导电率。隔片可以由固体电解质材料形成。隔片120具有可忽略电子导电率或不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电池，所述固态电池包括：正极；负极，所述负极包括被还原的钛酸锂(LTO)颗粒和固体电解质颗粒，所述负极缺少电子导电添加剂；以及隔片，所述隔片在所述正极与所述负极之间。

【技术特征摘要】
2018.01.15 US 15/871,5651.一种固态电池，所述固态电池包括：正极；负极，所述负极包括被还原的钛酸锂(LTO)颗粒和固体电解质颗粒，所述负极缺少电子导电添加剂；以及隔片，所述隔片在所述正极与所述负极之间。2.如权利要求1所述的固态电池，其中所述被还原的LTO颗粒是在还原性气氛中在约300℃至1200℃的温度下处理的原始LTO颗粒。3.如权利要求2所述的固态电池，其中所述还原性气氛是含有CO、H2、碳氢化合物、H2/N2、H2/Ar或其组合的气体环境。4.如权利要求2所述的固态电池，其中所述被还原的LTO颗粒包括氧缺陷。5.如权利要求1所述的固态电池，其中所述被还原的LTO颗粒包括掺杂剂。6.如权利要求5所述的固态电池，其中所述掺杂剂是Mg2+、Zn2+、Al3+、Ni2+、Mo6+、Cu2+或其组合。7.如权利要求1所述的固态电池，其中所述电子导电添加剂是碳或金属颗粒。8.一种形成固态电极总成的方法，所述方法包括：将LTO颗粒与固体...

【专利技术属性】
技术研发人员：文卡塔拉马尼·阿南丹，丹尼尔·默里，安迪·罗伯特·德雷斯，
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