陶瓷-聚合物复合单离子导电薄膜电解质制造技术

一种适合用于电池的高迁移数的薄膜电解质结构包括非导电有机相部分和多个离子导电无机相结构。无机相结构分散贯穿有机相部分并且一般被布置在一层中。无机相结构被配置成跨越有机相部分的厚度，使得每个结构的相应部分被暴露在有机相部分的相对侧上。在有机相部分与无机相结构之间的相应界面经由离子键和/或共价键的未断链而具有强附着力特性。在一些实施例中，界面包括至少一个附着力促进剂，所述附着力促进剂被配置成促进在有机相部分与无机相结构之间的附着力。在一些实施例中，无机相结构具有如下表面：所述表面通过使用表面改性剂而被改性以促进对于有机相部分的附着力。

Ceramic polymer composite single ion conductive film electrolyte

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷-聚合物复合单离子导电薄膜电解质本申请要求2017年10月12日提交的、美国临时申请62/571,348的权益，所述申请的公开内容通过引用以其全部被并入本文中。
本公开内容涉及电池，并且更具体地涉及用于在电池中使用的高迁移数复合薄膜电解质。
技术介绍
电池是能够被并入到许多系统中的所存储能量的有用的源。可再充电的锂离子（“Li-离子”）电池或电池单元由于其与其它电化学能量存储设备相比的高的比能量（用Wh/kg来被测量）所以是用于便携式电子器件以及电动载具和混合电动载具的具有吸引力的能量存储系统。然而，当前的Li-离子电池单元正达到其最大能量存储能力（近似250Wh/kg）。在具有该限制的情况下，这些电池单元不能提供具有足以用于具有超过100英里的英里范围的电动载具的存储的安全、低成本电池。为了实现更长范围，需要新一代电池单元，其具有更高的能量密度（至少400Wh/kg）、低成本（小于$125/kWh）、经改善的安全性、以及低环境影响。一个选项包括使用具有被并入到负电极中的锂金属（“Li-金属”）形式的电池单元。与具有常规含碳负电极的电池相比，这些电池单元供给异常高的比能量和能量密度。作为示例，当在电池中使用高比容量负电极（诸如锂）的时候，在也使用高容量正电极活性材料时，实现在常规系统之上的容量增加的最大益处。常规的锂夹入氧化物（例如、和）典型地被限制到近似280mAh/g的理论容量（基于锂化氧化物的质量）以及180到250mAh/g的实际容量。相比之下，锂金属的比容量大约是3863mAh/g。针对锂离子正电极可实现的最高理论容量是1168mAh/g（基于锂化材料的质量），其被Li2S和Li2O2共享。包括BiF3和FeF3的其它高容量材料也是可用的。然而，前述材料与常规氧化物正电极相比在更低的电压下与锂反应，从而限制理论比能量。然而，前述材料的理论比能量非常高（与针对具有锂负电极以及常规氧化物正电极的电池单元的近似500Wh/kg的最大值相比，大于800Wh/kg）。因而，如与具有石墨或其它夹层负电极的电池单元相比，使用锂-金属负电极（有时被称为阳极）的优点是整个电池单元的高得多的能量密度。使用纯Li金属的缺点是：锂是高度反应性的。因此，锂金属具有经历形态学改变的倾向，所述形态学改变使得在电池单元被充电的时候在负电极上及其周围形成具有高表面积的结构。示例性的高表面积结构包括枝晶和苔藓状结构。抑制基于Li金属的电池单元的商业化的一个因素是缺乏合适的薄膜电解质，所述合适的薄膜电解质抑制这些高表面积结构的形成以及为电池单元提供其它有益的功能。现有的候选固体电解质具有不足够的导电率、低迁移数、以及拙劣的机械性质（例如聚合物）、拙劣的可处理性以及高边界电阻（例如陶瓷）、或对于空气和水的严重化学不稳定性（例如硫化材料）。许多研究组正在寻求用于组合候选材料（诸如聚合物与陶瓷）以实现具有所有可用性质中最佳性质的单个复合材料的方式。该工作中的绝大多数已经在聚合物-陶瓷复合物上被执行，其中所述复合物的聚合物与陶瓷相二者是离子导电的。然而，这样的复合物遭受一些问题，所述问题限制其效用。具体地，聚合物-陶瓷复合物由于有机相而不能被烧结，并且跨未被烧结的陶瓷中的晶粒的导电率典型地极拙劣。附加地，在聚合物和陶瓷相之间的界面导电率典型地非常拙劣。锂离子导电率路径倾向于排他地通过聚合物，但是聚合物相在机械上不足够强以致不能抵抗枝晶渗透。因此，所需要的是具有足够高的离子导电率（大于1E-5S/cm）的薄的（小于20微米）、柔性的、强的、抵抗枝晶的并且不昂贵的单离子导电隔膜分离器。除了使能实现Li金属电池之外，这样的分离器更广泛地在电池中具有异常的效用。这些分离器可以与其它化学成分一起使用。如果迁移数是高的，并且如果隔膜能够充分地阻断电池溶剂和盐，则这些分离器可以附加地用于在另外的传统电池中分离阳极液与阴极液，其使得能够例如使用较高电压阴极或其中单个稳定液体电解质尚不可用的化学成分。这些分离器还可以用于调制液体、胶体或聚合物电池中的盐浓度梯度，从而使能实现经改善的倍率能力和更快的充电/放电。本文中所公开的隔膜分离器被配置以解决这些或有关问题中的任一个。
技术实现思路
在一个实施例中，一种电池单元包括正电极、负电极、以及被设置在正电极与负电极之间的至少一个薄膜复合电解质结构，所述电解质结构包括限定厚度的第一侧和第二侧、从所述第一侧延伸到所述第二侧的非导电有机相部分、以及分散贯穿所述非导电有机相部分的多个离子导电无机相结构，所述多个离子导电无机相结构中的每一个跨越所述厚度使得所述多个离子导电无机相结构中的每一个的第一部分被暴露在所述第一侧上，并且所述多个离子导电无机相结构中的每一个的第二部分被暴露在所述第二侧上，所述多个离子导电无机相结构中的每一个与所述非导电有机相部分限定相应界面，所述相应界面中的每一个包括离子键和共价键中至少一个的未断链。在一个实施例中，一种复合电解质结构包括限定厚度的第一侧和第二侧、从所述第一侧延伸到所述第二侧的非导电有机相部分、以及分散贯穿所述非导电有机相部分的多个离子导电无机相结构，所述多个离子导电无机相结构中的每一个跨越所述厚度使得所述多个离子导电无机相结构中的每一个的第一部分被暴露在所述第一侧上，并且所述多个离子导电无机相结构中的每一个的第二部分被暴露在所述第二侧上，所述多个离子导电无机相结构中的每一个与所述非导电有机相部分限定相应界面，所述相应界面中的每一个包括离子键和共价键中至少一个的未断链。在一个实施例中，一种用于形成薄膜复合电解质结构的方法包括：由离子导电无机相来制备多个颗粒，所述颗粒具有是从6到20微米的大小范围中的一个大小的平均颗粒大小；通过向颗粒表面施加附着力促进剂以及使用至少一个表面改性剂来使颗粒表面改性中的至少一个来改善颗粒的附着力特性；以及利用有机相来包封所述颗粒，所述有机相形成为具有第一侧以及与所述第一侧相对地面向的第二侧的连续薄膜层，每个颗粒具有被暴露在所述第一侧上的第一表面部分以及被暴露在所述第二侧上的第二表面部分。附图说明图1示出了根据一个实施例的复合电解质结构；图2是通过线A-A所取的图1的复合电解质结构的截面切割，其图示了在以颗粒或结构的形式的无机相与有机相之间的强附着力；图3描绘了一电化学电池单元的简化示意图，所述电化学电池单元包括以第一布置的图1的复合电解质结构；图4描绘了一电化学电池单元的简化示意图，所述电化学电池单元包括以第二布置的图1的复合电解质结构；以及图5-8描绘了用于形成图1的复合电解质结构的变体的不同过程。具体实施方式为了促进理解本公开内容的原理的目的，现在将参考在附图中所图示的以及在以下所撰写的说明书中所描述的实施例。理解到，没有从而对本公开内容范围的限制的意图。进一步理解到，本公开内容包括对所图示的实施例的任何变更和修改，并且包括如本公开内容所关于的领域中的技术人员通常将会想到的本公开内容原理的另外应用。图1和2描绘了根据一个实施例的以薄的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池单元，包括：/n正电极；/n负电极；以及/n被设置在所述正电极与所述负电极之间的至少一个薄膜复合电解质结构，所述电解质结构包括：/n限定厚度的第一侧和第二侧，/n从所述第一侧延伸到所述第二侧的非导电有机相部分，以及/n分散贯穿所述非导电有机相部分的多个离子导电无机相结构，所述多个离子导电无机相结构中的每一个跨越所述厚度，使得所述多个离子导电无机相结构中每一个的第一部分被暴露在所述第一侧上，并且所述多个离子导电无机相结构中每一个的第二部分被暴露在所述第二侧上，所述多个离子导电无机相结构中的每一个与所述非导电有机相部分限定相应界面，其中所述相应界面中的每一个包括离子键和共价键中至少一个的未断链，以便将所述非导电有机相部分稳固地附着到所述多个离子导电无机相结构中的每一个。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171012 US 62/5713481.一种电池单元，包括：
正电极；
负电极；以及
被设置在所述正电极与所述负电极之间的至少一个薄膜复合电解质结构，所述电解质结构包括：
限定厚度的第一侧和第二侧，
从所述第一侧延伸到所述第二侧的非导电有机相部分，以及
分散贯穿所述非导电有机相部分的多个离子导电无机相结构，所述多个离子导电无机相结构中的每一个跨越所述厚度，使得所述多个离子导电无机相结构中每一个的第一部分被暴露在所述第一侧上，并且所述多个离子导电无机相结构中每一个的第二部分被暴露在所述第二侧上，所述多个离子导电无机相结构中的每一个与所述非导电有机相部分限定相应界面，其中所述相应界面中的每一个包括离子键和共价键中至少一个的未断链，以便将所述非导电有机相部分稳固地附着到所述多个离子导电无机相结构中的每一个。


2.根据权利要求1所述的电池单元，进一步包括被设置在所述正电极与所述负电极之间的分离器，所述电解质结构被设置在所述分离器与所述负电极之间。


3.根据权利要求2所述的电池单元，其中所述负电极由锂金属形成，并且其中所述电解质结构被配置成在至少0.lmA/cm2的电流密度下抵抗枝晶渗透。


4.根据权利要求1所述的电池单元，进一步包括被设置在所述正电极与所述负电极之间的分离器，所述电解质结构被设置在所述分离器与所述正电极之间。


5.根据权利要求1所述的电池单元，进一步包括液体电解质、胶体电解质以及聚合物电解质中的一个，其中所述电解质结构被配置成调制在液体电解质、胶体电解质以及聚合物电解质中的一个中的盐浓度梯度。


6.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述电池单元是两隔室电池单元，其具有在第一隔室中的阳极液和在第二隔室中的阴极液，所述电解质结构被配置成将所述阳极液与所述阴极液自彼此分离。


7.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述电解质结构形成独立的柔性膜，其具有大于0.8的迁移数。


8.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述电解质结构具有至少1E-5S/cm的平均离子导电率。


9.一种复合电解质结构，包括：
限定厚度的第一侧和第二侧，
从所述第一侧延伸到所述第二侧的非导电有机相部分；以及
分散贯穿所述非导电有机相部分的多个离子导电无机相结构，所述多个离子导电无机相结构中的每一个跨越所述厚度，使得所述多个离子导电无机相结构中每一个的第一部分被暴露在所述第一侧上，并且所述多个离子导电无机相结构中每一个的第二部分被暴露在所述第二侧上，所述多个离子导电无机相结构中的每一个与所述非导电有机相部分限定相应界面，其中所述相应界面中的每一个包括离子键和共价键中至少一个的未断链，以便将所述非导电有机相部分稳固地附着到所述多个离子导电无机相结构中的每一个。

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【专利技术属性】
技术研发人员：JF克里斯琴森，N特兰，S黑尔斯特龙，
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