储能装置和其中使用的离子导电组合物制造方法及图纸

本发明专利技术涉及锂储能装置，其包含硅酸盐，所述硅酸盐包含下式：Li

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】储能装置和其中使用的离子导电组合物
本专利技术涉及储能装置及其部件，所述部件包含硅酸盐组合物，尤其是可熔体成形的和熔体成形的。所述硅酸盐组合物呈纤维、颗粒、膜和薄膜以及包含所述组合物的基体的形式。
技术介绍
在常规锂离子储能电芯(cell)的充电过程中，电子从外部电压源流动，并且锂阳离子通过液体电解质流向阳极。当电芯放电时，锂阳离子流过电解质，并且电子通过负载从阳极流至阴极。为了避免储能电芯内的短路，使电绝缘但可渗透锂阳离子的层位于两个电极之间。这被称为隔膜，其通常具有常规形式，诸如薄的聚合物材料、陶瓷涂覆的聚合物材料、陶瓷-聚合物复合材料或非织造织物。在常规的锂离子电芯中，隔膜通常浸入完全充满阳极与阴极之间的空间的液体电解质中。隔膜必须抵抗机械应力，并且这限制了常规隔膜膜(例如基于聚烯烃的膜)的工作厚度。将电流隔膜的厚度确定为使得所述厚度足以防止由锂金属的枝晶生长引起的短路，但仍可渗透Li离子传输。对高功率密度的需求对隔膜的性能提出了越来越高的要求。聚烯烃隔膜在通常130℃至170℃的温度范围内具有电流关闭特征，因为隔膜中的微孔在该温度范围内闭合，并且这旨在防止锂阳离子进一步跨越隔膜流动。然而，在具有较大表面的电池(例如大型电池)中，短路的机会增加，因为聚烯烃的熔融在升高的温度下在其整个区域内均不均匀，并且当一个区域熔融时，由于电流密度的随后增加而实际上增加了邻近区域中失效的可能性。Zhao等人,Inorganicceramicfibreseparatorforenergystorageandsafetyperformanceimprovementoflithiumionbatteries,CeramicsInternational43(2017),14775-14783报道了包含具有高热稳定性(从而导致所得电池的安全性能增强)的无机组分的隔膜。尽管如此，仍然需要高性能的电池隔膜等来驱动锂离子电池中的更高性能。CN106684292公开了用于在锂电池中使用的离子导电性纤维复合膜，其包括聚合物层和陶瓷层，所述陶瓷层包含Li7La3Zr2O12、Li3xLa2/3-xTiO3(0<x<0.167和Li7-3yAlyLa3Zr2O12(0<y<0.15)中的一种或多种。CN107316965公开了用于在固体锂离子电池中的复合电解质或隔膜中使用的锂镧-锆氧(Li7La3Zr2O12)纳米纤维。K.Miyauchi等人,Newamorphousthinfilmsoflithiumionconductivesolidelectrolyte,SolidStateIonics9&10(1983)1469-1472公开了限定的Li2O-SiO2-ZrO2体系中无定形喷溅膜的离子电导率(为约1-4X10-6Scm-1的量级)。然而，该技术的适用性受到有限的最终应用、低离子电导率以及放大技术难度的限制。虽然一些陶瓷材料单独地或在特定电池体系中均具有良好的锂离子电导率，但这只是将陶瓷材料集成到各种储能装置中所需要的一系列要求(例如电化学稳定性、机械性能)之一。因此，仍然需要用于在各种锂电池体系中使用的增加种类的锂离子导电性陶瓷材料，特别是可以大规模制造并且优选可以在电池内部的各种位置中使用的材料。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面，提供了锂储能装置，其包含硅酸盐组合物，所述硅酸盐组合物包含下式：LivM1wM2xSiyOz[1]其中M1选自由以下组成的组：碱金属、碱土金属、Ti、Mn、Fe、Zr、La、Ce、Ta、Nb、V及其组合；M2选自由以下组成的组：B、Al、Ga、Ge或其组合；v、y和z大于0；w和/或x大于0；y≥x；并且其中LivM1wM2xSiyOz占所述组合物的至少50重量％。优选，M1选自由以下组成的组：碱土金属、Ti、Mn、Fe、Zr、Ce及其组合。更优选，M1选自Ti和Zr及其组合。优选，M2选自B、Al、Ga或其组合。硅酸盐组合物优选是可熔体成形的(即能够使用熔体技术制造)并且更优选是熔体成形的(即通过熔体技术制成的)。可熔体成形的意指所述组合物(例如硅酸盐组合物纤维)可使用常规熔体技术由熔融物料成形。熔体技术包括但不限于可以使用以下方式由熔体(熔融物料)形成纤维(即纤维化)的技术：纤维的离心形成；拉延；空气喷射拉细或用于将熔融物料成形为纤维的其他套管、喷砂、吹塑和纺丝成形技术。熔体技术更易于扩展以生产显著大于替代性技术(诸如静电纺丝(溶胶-凝胶)技术)的大量(例如每天10至900吨或更多)。使用熔体技术制成的纤维可以使用已知的研磨技术转化为颗粒。优选，颗粒是由熔体成形的纤维或熔体成形的物料形成的。在一些实施方案中，“熔体成形的”是指组合物已经从玻璃的熔融物料获得，其形成了从玻璃的熔融物料获得的玻璃或玻璃陶瓷组合物。熔融可以是指将玻璃物料充分升高到高于玻璃的软化点以能够形成玻璃质膜(例如通过辊压或压制技术)。在另一个实施方案中，熔融可以是指将玻璃物料充分升高到高于玻璃的软化点以将玻璃的粘度充分降低以能够成形纤维或纳米线。在一些实施方案中，硅酸盐组合物是玻璃组合物。在其他实施方案中，硅酸盐组合物是玻璃-陶瓷组合物。玻璃-陶瓷组合物优选包含玻璃相和结晶相，所述结晶相优选在0.1重量％至95重量％的范围内。硅酸盐组合物中网络形成剂与网络改性剂的摩尔比例优选大于1.0、更优选大于1.2并且甚至更优选大于1.3且又甚至更优选大于1.4。网络形成剂与网络改性剂的比率越高，组合物可能更加可熔体成形。出于本专利技术的目的，M1被认为是网络改性剂，而M2被认为是网络形成剂。除非另有说明，否则中间体(即可充当网络形成剂或改性剂的组分)将被视为网络改性剂。具有足够的网状形成剂有助于由熔体形成纤维，并且能够使更细的纤维直径更容易产生。此外，通过限制Li2O的量，可以避免与水分形成LiOH的不利反应。当网络形成剂与网络改性剂的比率优选不超过5.0、更优选不超过4.0并且甚至更优选不超过3.0时，已经获得了特性(离子电导率、耐化学性、纤维化容易性)的良好平衡。在一个实施方案中，(x+y)>1.0x(v+w)或(x+y)>1.2x(v+w)或(x+y)>1.3x(v+w)或(x+y)>1.4x(v+w)。在另一个实施方案中，(x+y)<5.0x(v+w)、更优选(x+y)<4.0x(v+w)；并且更优选(x+y)<3.0x(v+w)。优选，v/(v+w+x+y)<0.5、更优选<0.45并且甚至更优选小于0.35。较低比例的锂降低如先前所述的不利反应的倾向。v/(v+w+x+y)优选为至少0.1。M1优选包含Zr或由其组成。在包含Zr的实施方案中：Li/(Li+Zr+Si)优选<0.5、更优选小于0.45并且更优选<0.35。Li/(Li+Zr+Si)优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂储能装置，其包含硅酸盐组合物，所述硅酸盐组合物包含下式：/nLi

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180201 GB 1801684.0;20180807 GB 1812792.8;2018081.一种锂储能装置，其包含硅酸盐组合物，所述硅酸盐组合物包含下式：
LivM1wM2xSiyOz
其中
M1选自由以下组成的组：碱金属、碱土金属、Ti、Mn、Fe、Zr、Ce、La、Ta、Nb、V及其组合；
M2选自由以下组成的组：B、Al、Ga、Ge或其组合；
v、y和z大于0；
w和/或x大于0；
y≥x；和
其中LivM1wM2xSiyOz占所述组合物的至少90重量％。


2.根据权利要求1所述的装置，其中M1选自碱土金属、Ti、Mn、Fe、La、Zr、Ce及其组合。


3.根据权利要求1所述的装置，其中(x+y)>(w+v)。


4.根据权利要求1或2所述的装置，其中v/(v+w+x+y)<0.5。


5.根据权利要求1或2所述的装置，其中M1包含Zr或由Zr组成。


6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中M1包含在0.5重量％与40重量％之间的TiO2。


7.一种锂储能装置，其包含硅酸盐组合物，所述硅酸盐组合物包含：
1重量％至30重量％的Li2O；
10重量％至60重量％的ZrO2；
20重量％至80重量％的SiO2；以及
0重量％至30重量％的其他组分。


8.根据权利要求7所述的装置，其中所述硅酸盐组合物包含：
4重量％至10重量％的Li2O；
18重量％至25重量％的ZrO2；
65重量％至75重量％的SiO2；
0重量％至13重量％的其他组分。


9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中Al2O3和TiO2的组合量在0.5重量％与30重量％之间。


10.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中Li2O的量在0.5重量％与15重量％之间。


11.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中SiO2的量在30重量％与80重量％之间。


12.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中ZrO2的量在15重量％与55重量％之间。


13.根据权利要求7至12中任一项所述的装置，其中所述其他组分包括硼、钠、镁、铝、磷、钾、钽、镓、锶、钡、镧、锗、钙、钒、锰、铁、铈、铌和钛的氧化物形式中的一种或多种。


14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物呈纳米线或纤维的形式。


15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物包括熔体成形的组合物。


16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物基本上不含磷。


17.根据权利要求3所述的装置，其中所述硅酸盐组合物包含硅酸锆锂。


18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物形成电解质的一部分。


19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物形成隔膜的一部分。


20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物形成电极的一部分。
根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物是玻璃。


21.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物包含：
1重量％至30重量％的Li2O；
10重量％至60重量％的ZrO2；以及
30重量％至80重量％的SiO2
其中Li2O+ZrO2+SiO2的总和大于90重量％。


22.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述硅酸盐组合物包含小于15重量的Li2O。


23.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中所述硅酸盐组合物呈在700℃下具有小于5.0％的收缩率的纤维或纳米线的形式。


24.一种电解质，其包含如前述权利要求中任一项中所定义的硅酸盐组合物。


25.根据权利要求24所述的电解质，其中所述电解质是固体电解质或电解质基体。


26.根据权利要求25所述的电解质，其中所述固体电解质是玻璃质膜。


27.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·布朗，R·克拉克，J·P·斯特里特，
申请(专利权)人：英国热陶瓷有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB