固态隔膜的阴极电解质管理制造技术

本专利涉及一种电化学单电池，其包括不可渗透液体电解质的密封层，所述密封层与传导Li离子的固态电解质紧密粘合在一起，从而有效地隔离和防止Li金属负极免于暴露在正极中用作阴极电解液的液态电解质和/或凝胶电解质中。一些电化学单电池包括一系列按照各种不同方式堆叠起来的电化学叠层，包括共享一个Li金属负极的形式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态隔膜的阴极电解质管理
本专利涉及传导锂(Li)离子的固态电解质和包括这些电解质的电化学单电池。本专利涉及固态可再充电电池，通常也称为二次电池。交叉引用本申请要求如下专利申请的优先权：申请日2017年11月28日、美国临时专利申请号为62/591,684，申请日2018年5月15日、美国临时专利申请号为62/671,927，出于各种目的其全部内容通过引用合并在本申请中。
技术介绍
可充电锂离子电池能量密度最大化的策略之一是，研究人员尝试加入锂金属阳极。根据位于阳极的Li相对于位于阴极的Li的电势差来确定电池的电压。由于锂金属中Li的电压为0V，因此当阳极为锂金属时，任何可再充电锂离子电池中阳极和阴极之间的差值最大。因为锂金属特别易反应，所以对于具有锂金属阳极的可再充电锂离子电池来说，需要采用防止锂金属暴露的系统和方法，防止暴露于例如有机溶剂等可以与其反应的物质中，使其足够稳定，以便用于商业化用途。用于保护电化学单电池中的锂金属阳极的某些策略是已知的，例如美国8,129,052号专利。然而，这些策略依赖于锂金属阳极周围的密封层与电化学单电池的容器以及电化学单电池的其他组件之间的粘合，以防止锂金属阳极暴露在环境中。由于保护锂金属阳极需要的材料体积庞大，导致这些策略还存在能量密度低的问题。传统电池中使用有机溶剂，以液体电解质为基础；而可再充电电池包括具有固态隔膜电解质的电化学单电池，是很有前景的替代品。这些优点包括安全性，因为固态隔膜不像有机溶剂那样易燃，以及例如能量密度得到提高等其他优点。一些阴极架构有利于实现高能量密度、高容量、高功率输出，但是一个问题是，在安全和性能方面带来了新的问题，这必须予以克服。例如，与具有固态隔膜的锂金属阳极搭配使用时，包含液体溶剂的阴极架构会带来安全和性能方面的挑战。如果液体溶剂接触锂金属阳极，会发生有害的化学反应，从而降低电池性能。关于如何安全地将包括液体溶剂的阴极架构与固态隔膜电解质结合起来，还存在有其他困难。因此，对于保护可充电锂离子电池中的锂金属阳极而言，密封层的新材料、新方法和使用方法是很有必要的。本专利阐述的是这一问题的解决方案以及本专利所属的相关
中的其他未满足的需求。
技术实现思路
在一个实施例中，本专利提出了一种电化学叠层(stack)，包括固态电解质；包括液体电解质、凝胶电解质或二者兼有的正极；正极集电器(currentcollector)；密封层，所述密封层不可渗透液体电解质或凝胶电解质，且所述密封层与正极集电器和固态电解质粘合(bond)在一起。所述密封层将正极中的液体电解质、凝胶电解质或者二者与负极之间隔离开来。在另一个实施例中，本专利提出了一种电化学单电池，包括容器，所述容器中至少有一个电化学叠层，所述电化学叠层至少包括固态电解质、包括液体电解质、凝胶电解质或两者兼有的正极、以及正极集电器。所述电化学单电池还包括密封层，所述密封层不可渗透液体电解质或凝胶电解质，所述密封层与正极集电器和固态电解质粘合在一起，但是所述密封层没有与容器粘合在一起。所述密封层将正极中的液体电解质、凝胶电解质或者二者与负极之间隔离开来。在另一个实施例中，本专利提出了一种制造电化学单电池的方法，包括以下步骤：在基底上提供正极集电器；在所述集电器上施加密封材料；在所述密封材料上提供电化学叠层，所述电化学叠层包括：固态电解质；包括液体电解质、凝胶电解质或两者兼有的阳极。所述电化学叠层用于使正极集电器接触正极。所述密封材料不可渗透液体电解质或凝胶电解质，并与正极集电器和固态电解质粘合在一起。所述方法还包括将单电池叠层封装在聚醚醚酮(PEEK)内；向电化学单电池施加至少3磅/平方英寸(PSI)的压力。在另一个实施例中，本专利提出了一种制造电化学单电池的方法，包括以下步骤：在基底上提供正极集电器；在正极集电器上提供密封材料；提供聚醚醚酮(PEEK)封壳；在密封材料上和PEEK封壳内提供电化学叠层，所述电化学叠层包括：固态电解质；包括液体电解质或凝胶电解质的正极。所述密封材料不可渗透液体电解质或凝胶电解质，且与正极集电器和固态电解质粘合在一起。所述方法还包括向电化学单电池施加至少3磅/平方英寸(PSI)的压力。在一个实施例中，本专利提出了一种电化学单电池，包括：正极集电器；包括液体电解质的正极；双层固态电解质，其中一层包含硫化物，另一层包含锂磷硫卤化物(lithiumphosphorussulfurhalide)；负极集电器；不可渗透液体电解质的密封层，用于密封正极集电器与正极之间的接合面，以及正极和双层固态电解质的第一层之间的接合面，所述第一层与所述正极直接接触。在另一个实施例中，本专利提出了一种可再充电电池，其包括本专利所述的电化学单电池。在另一个实施例中，本专利提出了一种电动交通工具，其包括本专利所述的可再充电电池。在另一个实施例中，本专利提出了一种制造电化学单电池的方法，包括：在基底上提供双层固态电解质，所述双层固态电解质的第一层包含硫化物，第二层包含锂磷硫卤化物；所述第二层与所述基底直接接触；在双层固态电解质周围提供第一密封层，第一密封层与所述双层固态电解质相接触；所述密封层覆盖固态电解质的边缘；在固态电解质的顶部提供包括液体电解质的正极；将包括液态电解质的正极压在所述固态电解质和第一密封层上；围绕第一密封层施加第二密封层；和将至少3磅/平方英寸(PSI)的压力施加到电化学单电池上。在一个方面，本专利提供了一种电化学叠层，其包括：固态电解质；包括液体电解质或凝胶电解质的正极；正极集电器；密封层；所述密封层不可渗透液体电解质或凝胶电解质且与正极集电器和固态电解质粘合在一起。在一些实施例中，所述密封层容纳正极中的液体电解质或凝胶电解质。在一些实施例中，所述固态电解质中不可渗透液体电解质或凝胶电解质。在一些实施例中，所述密封层粘合到所述正极集电器的表面。在一些实施例中，所述密封层粘合到所述固态电解质的表面。在一些实施例中，所述密封层粘合到所述固态电解质的侧边缘。在一些实施例中，所述密封层粘合到所述固态电解质的表面和所述固态电解质的侧边缘。在一些实施例中，所述电化学叠层还包括锂(Li)金属负极。在一些实施例中，所述电化学叠层还包括负极集电器。在一些实施例中，所述电化学叠层位于容器中，且所述密封层与该容器没有粘合在一起。在一些实施例中，所述容器包括导电接线片引线。在一些实施例中，固态电解质的直径大于锂金属负极的直径。在一些实施例中，所述固态电解质的直径大于所述正极的直径。在一些实施例中，所述固态电解质的宽度或直径大于所述锂金属负极或所述正极的直径中的任一个。在一些实施例中，所述固态电解质的宽度或直径大于所述锂金属负极的宽度或直径。在一些实施例中，所述固态电解质的宽度或直径大于所述正极的宽度或直径。在一些实施例中，所述固态电解质的宽度或直径大于所述锂金属负极的宽度和直径以及正极的宽度和直径。在一些实施例中，所述固态电解质具有凸起本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学叠层，包括：/n固态电解质；/n包括液体电解质或凝胶电解质的正极；/n正极集电器；和/n不可渗透所述液体电解质或凝胶电解质且与所述正极集电器和固态电解质粘合在一起的密封层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171128 US 62/591,684;20180515 US 62/671,9271.一种电化学叠层，包括：
固态电解质；
包括液体电解质或凝胶电解质的正极；
正极集电器；和
不可渗透所述液体电解质或凝胶电解质且与所述正极集电器和固态电解质粘合在一起的密封层。


2.根据权利要求1所述的电化学叠层，其中所述密封层容纳正极中的液体电解质或凝胶电解质。


3.根据权利要求1或2所述的电化学叠层，其中所述固态电解质不可渗透液体电解质或凝胶电解质。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的电化学叠层，其中所述固态电解质边缘的厚度逐渐变薄。


5.一种电化学单电池，包括权利要求1-4中任一项所述的至少一个或多个电化学叠层。


6.一种电化学单电池，包括容器；所述容器中有至少一个电化学叠层，所述电化学叠层至少包括：
固态电解质；
包括液体电解质或凝胶电解质的正极；
正极集电器；以及
不可渗透液体电解质或凝胶电解质且与所述正极集电器和固态电解质粘合在一起的密封层，所述密封层没有与所述容器粘合在一起。


7.根据权利要求6所述的电化学单电池，其中所述密封层包括选自下列的材料：聚异丁烯(PIB)、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)、聚烯烃及其组合。


8.根据权利要求6或7所述的电化学单电池，其中所述密封层包括顶层和底层，所述密封层的顶层和所述密封层的底层包括相同的材料。


9.根据权利要求8所述的电化学单电池，其中所述密封层还包括中间层，并且其中所述密封层的中间层是由与所述顶层或底层不同的材料制成。


10.根据权利要求8或9所述的电化学单电池，其中所述顶层和所述底层包括PIB。


11.一种电池，包括权利要求6-10中任一项所述的至少一个电化学单电池。


12.根据权利要求6-11中任一项所述的电化学单电池，其中所述密封层具有30-150的硬度计硬度。


13.一种装置，包括权利要求6-12中任一项所述的电化学单电池。


14.一种电化学单电池的制造方法，包括：
在基底上提供正极集电器和电化学单电池叠层；
在正极集电器上施加密封材料；
其中所述电化学叠层包括：固态电解质；包括液体电解质或凝胶电解质的正极；所述密封材料不可渗透所述液体电解质或凝胶电解质，且所述密封材料与所述正极集电器和所述固态电解质粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·H·加德纳，约瑟夫·萨尔维，
申请(专利权)人：昆腾斯科普公司，
类型：发明
国别省市：美国;US