具有经涂覆的材料的固体复合电极制造技术

固态复合电极包括活性电极颗粒、离子传导性颗粒和导电颗粒。每个离子传导性颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，该隔离材料抑制离子传导性颗粒与活性电极颗粒的相互扩散。电池组电池包括第一集流体、固体电解质层、具有涂覆有隔离材料的离子传导性颗粒并位于第一集流体和固体电解质层之间的第一固态复合电极、第二集流体以及位于固体电解质层和第二集流体之间的第二电极。形成固态复合电极的方法包括将活性电极颗粒和导电颗粒与分别至少部分地涂覆有隔离材料的离子传导性颗粒混合在一起。该混合物通过流延成型而形成膜，并在高于600℃的温度下烧结。

Solid composite electrode with coated material

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有经涂覆的材料的固体复合电极相关申请本公开要求于2017年9月29日提交的名称为“具有经涂覆的材料的固体复合电极和用于固体复合电极材料的涂层”的美国临时申请号62/565,638的优先权，其公开整体并入本文。
本公开总体上涉及固态电池组（batteries），并且更特别地涉及固态复合电极。背景由于确保了改进的可靠性、耐用性、安全性、能量密度和循环性能，固态电池组已成为越来越多研究的主题。然而，固态电池组的许多性能因素是基于电池组内不同材料之间的界面特性。固态电解质和固态活性材料之间的高界面阻抗例如导致放电期间的功率容量（powercapability）降低。高界面阻抗可能由许多不同因素引起，例如材料之间的不良接触，电池组材料与其它材料或周围环境之间的反应，以及不同电池组材料之间的相互扩散。图1描绘了常规固态复合电极10的平面示意图。电极10包括活性材料颗粒12、离子传导性材料颗粒14和电子传导性材料颗粒16。材料12-16已经通过烧结过程而组装成复合材料，以使得活性材料颗粒12保持与离子传导性颗粒14紧密接触。例如，活性材料颗粒12'与离子传导性材料颗粒14'保持紧密接触。图2描绘了来自图1的活性材料颗粒12'和离子传导性材料颗粒14'之间的界面的详细示意图。虽然烧结通常导致活性材料颗粒12'和离子传导性颗粒14'之间的良好接触，但是与烧结过程相关的600℃-900℃或更高的高温可能导致在颗粒12'和14'之间的相互扩散区域20（注意：相互扩散区域20在图1中不可见）。如本文所用，“相互扩散”是指材料的至少部分物理混合和/或材料之间的化学反应。相互扩散区域20可降低活性材料颗粒12'和离子传导性颗粒14'之间的离子传导性并因此可导致活性电极材料12和离子传导性材料14之间的界面阻抗增加（图1），并导致包括电极10的电池的放电功率容量降低。因此，在活性电极材料和电解质材料之间具有低界面阻抗的固态电极将是有益的。具有有限量或没有相互扩散的材料的固态电极也将是有益的。概述为了相对于常规电极而言减小活性电极材料和电解质材料之间的界面阻抗和为了相对于常规电极而言提高放电期间的功率容量，固态复合电极包括离子传导性材料颗粒，它们分别至少部分地涂覆有隔离材料，该隔离材料抑制活性电极材料和电解质材料的相互混合和/或相互扩散。在一些实施方案中，固态复合电极包括活性电极材料颗粒、离子传导性材料颗粒和导电材料颗粒。每个离子传导性材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，该隔离材料被选择为抑制离子传导性材料与活性电极材料的相互扩散。在一些实施方案中，每个离子传导性材料颗粒至少基本上涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，每个离子传导性材料颗粒完全涂覆有隔离材料。在一些实施方案中满足下面的至少之一：（i）每个活性电极材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料和（ii）每个导电材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，活性电极材料颗粒、离子传导性材料颗粒和导电材料颗粒通过烧结结合在一起。在一些实施方案中，离子传导性材料包括LLZO、磷酸钛铝锂材料和钛酸镧锂材料中的至少一种。在一些实施方案中，隔离材料包括LiBO3、Li4SiO4和Li3PO4中的至少一种。在一些实施方案中，隔离材料是按重量计约60％的Li4SiO4和约40％的Li3PO4的混合物。在一些实施方案中，在每个离子传导性材料颗粒上的隔离材料涂层的厚度小于或等于1000纳米。在一些实施方案中，在每个离子传导性材料颗粒上的隔离材料涂层的厚度小于或等于100纳米。形成固态复合电极的方法包括将活性电极材料颗粒、离子传导性材料颗粒和导电材料颗粒混合在一起。在一些实施方案中，该方法包括将隔离材料施加到离子传导性材料颗粒上，以使得每个离子传导性材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，在混合之前施加隔离材料。在一些实施方案中，在混合之后施加隔离材料。在一些实施方案中，离子传导性材料颗粒配备有至少部分地涂覆每个颗粒的隔离材料。隔离材料被选择为抑制活性电极材料与离子传导性材料的相互扩散。该混合物通过流延成型法而形成膜。在大于600℃的温度下烧结该膜以形成固态复合电极。在一些实施方案中，通过凝胶涂覆法或脉冲激光沉积法将隔离材料施加到每个离子传导性材料颗粒上。在一些实施方案中，该方法进一步包括将聚合物粘合剂与活性电极材料颗粒、离子传导性材料颗粒和导电材料颗粒的混合物混合在一起。该方法还进一步包括在将膜烧结之前在含氧气氛中将膜加热至500℃或更高，直到聚合物粘合剂至少基本上被烧掉。在一些实施方案中，烧结是共烧结法，其包括将膜与如下的至少之一烧结：（i）用于形成固体电解质层的颗粒、或用于形成固体电解质层的颗粒和用于形成另外的固态复合电极的膜和（ii）至少一个集流体。为了相对于常规电池组电池而言减小活性电极材料和电解质材料之间的界面阻抗和为了相对于常规电池组电池而言提高放电期间的功率容量，电池组电池包括具有离子传导性材料颗粒的固态复合电极，这些离子传导性材料颗粒各自涂覆有隔离材料，该隔离材料抑制活性电极材料和电解质材料的相互混合和/或相互扩散。在一些实施方案中，电池组电池包括第一集流体、固体电解质层、第一电极、第二集流体和第二电极。第一电极位于第一集流体和固体电解质层之间。第一电极是固态复合电极，其包含活性电极材料颗粒、离子传导性材料颗粒和导电材料颗粒。每个离子传导性材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，该隔离材料被选择为抑制离子传导性材料与活性电极材料的相互扩散。第二电极位于固体电解质层和第二集流体之间。在一些实施方案中，每个离子传导性材料颗粒至少基本上涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，每个离子传导性材料颗粒完全涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，固体电解质层包含所述离子传导性材料颗粒的另外的颗粒，它们与第一电极中的离子传导性材料颗粒形成均匀的固-固界面。在一些实施方案中满足下面的至少之一：（i）每个活性电极材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料和（ii）每个导电材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，第二电极是另外的固态复合电极，其包含另外的活性电极材料的颗粒、所述离子传导性材料的另外的颗粒和导电材料的另外的颗粒。每个所述离子传导性材料的另外的颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，该隔离材料另外被选择为抑制所述离子传导性材料与所述另外的活性电极材料的相互扩散。在一些实施方案中，每个所述离子传导性材料的所述另外的颗粒至少基本上涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，每个所述离子传导性材料的所述另外的颗粒完全涂覆有隔离材料。在一些实施方案中，形成具有固态复合电极的电池组电池的方法包括将固态复合电极、固体电解质层和另外的固态复合电极中的至少一个共烧结。在一些实施方案中，位于第一和第二集流体之间的所述至少一个电极、电解质层和另外的电极发生共烧结。在一些实施方案中，形成具有固态复合电极的电池组电池的方法包括：单独形成固态复合电极、固体电解质层和另外的固态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电池组电池，其包括：/n第一集流体；/n固体电解质层；/n位于第一集流体和固体电解质层之间的第一电极，其中该第一电极是固态复合电极，其包含：/n活性电极材料颗粒；/n离子传导性材料颗粒，其中每个离子传导性材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，并且其中该隔离材料被选择为抑制所述离子传导性材料与所述活性电极材料的相互扩散；和/n导电材料颗粒；/n第二集流体；和/n位于固体电解质层和第二集流体之间的第二电极。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170929 US 62/5656381.电池组电池，其包括：
第一集流体；
固体电解质层；
位于第一集流体和固体电解质层之间的第一电极，其中该第一电极是固态复合电极，其包含：
活性电极材料颗粒；
离子传导性材料颗粒，其中每个离子传导性材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，并且其中该隔离材料被选择为抑制所述离子传导性材料与所述活性电极材料的相互扩散；和
导电材料颗粒；
第二集流体；和
位于固体电解质层和第二集流体之间的第二电极。


2.根据权利要求1所述的电池组电池，其中所述固体电解质层包含所述离子传导性材料的另外的颗粒，它们与第一电极中的离子传导性材料颗粒形成均匀的固-固界面。


3.根据权利要求1所述的电池组电池，其中满足下面的至少之一：
每个活性电极材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料；和
每个导电材料颗粒至少部分地涂覆有隔离材料。


4.根据权利要求1所述的电池组电池，其中第二电极是另外的固态复合电极，其包含：
另外的活性电极材料的颗粒；
所述离子传导性材料的另外的颗粒，其中每个所述离子传导性材料的所述另外的颗粒至少部分地涂覆有隔离材料，并且其中所述隔离材料另外被选择为抑制所述离子传导性材料与所述另外的活性电极材料的相互扩散；和
导电材料的另外的颗粒。


5.根据权利要求1所述的电池组，其中满足下面的至少之一：
所述离子传导性材料包括LLZO、磷酸钛铝锂材料和钛酸镧锂材料中的至少一种；和
所述隔离材料包括LiBO3、Li4SiO4和Li3PO4中的至少一种。


6.根据权利要求5所述的电池组，其中所述隔离材料是按重量计约60%的Li4SiO4和约40％的Li3PO4的混合物。


7.根据权利要求1所述的电池组，其中在每个离子传导性材料颗粒上的隔离材料涂层的厚度小于或等于1000纳米。


8.固态复合电极，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：JF克里斯琴森，NP克雷格，S黑尔斯特龙，B科青斯基，S库潘，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE