包覆有锂离子导电固体电解质的集电器制造技术

公开了一种用于形成电化学装置的制品。该制品包括包覆有离子导电固体电解质材料的金属集电器，使得在集电器与离子导电固体电解质材料之间形成紧密接触。锂金属阳极可以由包含在阴极材料中的锂离子原位形成在集电器包覆层和离子导电固体电解质材料之间，该阴极材料被放置成与离子导电固体电解质材料接触。可以从该制品构造双极电化学电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包覆有锂离子导电固体电解质的集电器相关申请的交叉引用本申请要求2018年1月9日提交的美国专利申请第62/615,118号的优先权。关于联邦资助研究的声明本专利技术在能源部授予的DE-AR0000653的政府支持下完成。政府对本专利技术拥有一定的权利。专利技术背景1.专利
本专利技术涉及一种制品，该制品包括包覆有离子导电固体电解质材料的金属集电器，使得集电器与离子导电固体电解质材料之间紧密接触，并且可以由阴极材料中包含的锂离子原位形成锂金属阳极。本专利技术还涉及使用本专利技术方法由该制品构造的双极电化学电池。2.相关领域描述锂离子(Li-ion)电池技术在过去十年中已取得显著进步，到2019年市场规模预计为105亿美元。当前技术水平的锂离子电池包括两个电极(阳极和阴极)，保持电极不接触但允许Li+离子通过的分隔材料，以及电解质(其是具有锂盐的有机液体)。在充电和放电期间，Li+离子在电极之间交换。对于包括电动汽车，电网存储和消费电子产品在内的许多应用，都需要寿命更长，容量更高且安全隐患减少的电池。多年来，锂(Li)金属一直被认为是“理想的”阳极材料，因为它能够以金属形式存储轻质锂，而无需使用惰性基质材料或导电支架。锂可以提供3860mAh/g的容量和最低的理论阳极电位，使其成为包括Li-硫和Li-空气在内的下一代电池系统的支持技术。不幸的是，由电极-电解质相互作用引起的反应性问题阻止了锂金属电池的长期循环。这些相互作用导致形成不稳定的枝晶结构，从而导致库仑效率降低并最终失效。这些类型的故障不仅可能会缩短电池寿命，而且还可能由于气体放出和易燃电解质可能的起火而导致安全隐患。经常研究的该问题的一种解决方案是开发一种固态电解质电池技术，该技术可机械地防止阳极中的枝晶生长。目前，现有技术(SOA)锂离子电池中使用的液体电解质与先进的电池概念(例如使用锂金属阳极或高压阴极)不兼容。此外，SOA锂离子电池中使用的液体是易燃的，并且在热失控时容易燃烧。使用固体电解质代替SOA中使用的液体可以实现先进的电池化学，同时消除燃烧风险。在过去的十年中，已经发现了几种固体电解质并对其进行了深入研究。与SOA锂离子电池相比，这些新型固态电池的能量密度有望达到3-4倍，而封装成本却降低了20％。实现更高性能电池技术的另一种方法是利用双极电池构造，这还将增加能量密度并降低封装成本。双极电池构造允许单个电池以层状构造堆叠。在这种结构中，电池中的每个单电池与其毗邻的相邻单电池中的一个单电池共享集电器。在层状构造的每一端，都有一个集电器，其可以用作最终的阳极和阴极。与传统单极电池中的连接相比，这种“三明治状”的电池层封装可实现更短的电流路径和更大的表面积。双极设计的最终结果是减少了功率损耗，降低了制造成本和电池重量。不幸的是，双极电池技术的商业化在很大程度上受到制造工艺发展缓慢以及无法密封每个电池以防电解质泄漏的阻碍。因此，需要能够解决上述电池构造的缺陷的改进的电池结构和制造方法。
技术实现思路
本公开提供了用于形成电化学装置(例如双极电池)的制品以及制造电化学装置的方法。该制品可以包括由多个堆叠的阴极活性材料和覆盖有固态电解质的集电器形成的多个层状结构。当形成电流通过制品时，可以在每个集电器和固态电解质之间形成阳极层，从而使新形成的电化学装置能够用作双极电池。与先前的双极电池构造相比，阳极层的这种构造和原位产生提供了许多优点。例如，由于制品内的初始堆叠仅需要两个组件，即阴极活性材料和包覆集电器，因此大大简化了制造过程。另外，固态电解质的使用降低了电解质泄漏的可能性，并有助于防止一旦阳极层形成就从其开始的枝晶生长。而且，阳极层的原位形成可以在制品产生后的任何时间安全地进行；这使得制品可以在未制成的情况下安全地运输。甚至进一步，包覆有固态电解质的集电器与多种阴极活性材料相容。在一个方面，本公开提供了一种用于形成电化学装置的制品。该制品包括多个层状结构，每个层状结构包括(i)包覆有固态电解质材料的集电器，和(ii)与固态电解质材料接触的阴极活性材料。所述多个层状结构中的一个层状结构的集电器可以与所述多个层状结构中的另一个层状结构的阴极活性材料接触。制品的每个层状结构可以是未制成(unformed)的。集电器可以包括包含金属或金属合金的单一材料。集电器可包括选自下组的材料：镍，钼，钛，锆，钽，合金钢，不锈钢，镍基超合金，钴基超合金，铜，铝或它们的混合物。集电器可以包括双金属，该双金属具有至少部分地接触固态电解质材料的第一材料和至少部分地接触多个层状结构中的另一个层状结构的阴极活性材料的第二材料。第一材料可以选自下组：镍，钼，钛，锆，钽，合金钢，不锈钢，镍基超合金，钴基超合金，铜或它们的混合物。第二材料可以选自下组：铝，镍，合金钢，不锈钢，镍基超合金或它们的混合物。集电器的厚度可以在1纳米至100微米之间。固态电解质材料可包括选自下组的材料：氧氮化锂磷(LiPON)，氧化物基石榴石(oxidebasedgarnet)，钠超离子导体(NaSICON)，锂超离子导体(LiSICON)，硫代LiSICON，硫化物玻璃，聚合物或它们的混合物。固态电解质材料可以选自下组：锂镧锆氧化物(LLZO-Li7La3Zr2O12)，铝掺杂的LLZO(例如，Li6.25La2.7Zr2Al0.25O12)，钽掺杂的LLZO，磷酸锂铝钛(LATP)，磷酸锂铝锗(LAGP)，硫化磷锂(LPS)，聚环氧乙烷(PEO)，聚丙烯腈(PAN)，结晶热塑性聚合物或它们的混合物。固态电解质材料可包含锂镧锆氧化物(LLZO)或其衍生物。可以使用化学气相沉积，物理气相沉积，原子层沉积，浆料浇注和烧结，刷涂，粉末涂覆，热喷涂，冷喷涂，气溶胶沉积，助熔沉积(fluxdeposition)，电沉积，无电化学沉积或它们的组合中的至少一种将固态电解质材料包覆在集电器上。固态电解质材料可以具有在1纳米至100微米之间的厚度。阴极活性材料可包括选自下组的活性材料：层状氧化物，橄榄石磷酸盐，尖晶石氧化物，无序岩盐氧化物，转换阴极，硫，硫化钛锂，氧化钒或它们的混合物。活性材料可以包括以下中的至少一种：锂钴氧化物(LCO)，锂镍锰钴氧化物，锂镍氧化物(LNO)，锂镍钴铝氧化物(NCA)，磷酸铁锂(LFP)，磷酸镍锂(LNP)，磷酸钴锂(LCP)，磷酸锰锂(LMP)，锂锰氧化物(LMO)，锂镍锰氧化物(LMNO)，锂镍锆氧化物，锂锆氧化物，锂镁锆氧化物，锂镍钽氧化物，锂铌氧化物，硫化铁锂，氟化铜锂，氟化铁锂或它们的混合物。阴极活性材料可以与离子传导材料一起形成复合阴极层。离子传导材料可包括以下中的至少一种：氧化物固体电解质，磷酸盐固体电解质，硫基固体电解质，聚合物基固体电解质或凝胶基电解质。阴极活性材料的厚度可以在1纳米至400微米之间。阴极活性材料和集电器可以具有相同的平面形状，并且可以在每个层状结构中彼此直接叠置。在另一方面，本公开提供了一种制造电化学装置的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供阴极活性材料层；(b)提供包覆有固态电解质材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成电化学装置的制品，所述制品包括：/n多个层状结构，每个层状结构包括：/n(i)包覆有固态电解质材料的集电器，和/n(ii)与固态电解质材料接触的阴极活性材料，/n其中，所述多个层状结构中的一个层状结构的集电器与所述多个层状结构中的另一个层状结构的阴极活性材料接触。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180109 US 62/615,1181.一种用于形成电化学装置的制品，所述制品包括：
多个层状结构，每个层状结构包括：
(i)包覆有固态电解质材料的集电器，和
(ii)与固态电解质材料接触的阴极活性材料，
其中，所述多个层状结构中的一个层状结构的集电器与所述多个层状结构中的另一个层状结构的阴极活性材料接触。


2.如权利要求1所述的制品，其中，每个层状结构都是未制成的。


3.如权利要求1所述的制品，其中，集电器包括包含金属或金属合金的单一材料。


4.如权利要求3所述的制品，其中，集电器包含选自下组的材料：镍，钼，钛，锆，钽，合金钢，不锈钢，镍基超合金，钴基超合金，铜，铝或它们的混合物。


5.如权利要求1所述的制品，其中，集电器包含双金属，所述双金属具有至少部分地接触固态电解质材料的第一材料和至少部分地接触所述多个层状结构的另一个层状结构的阴极活性材料的第二材料。


6.如权利要求5所述的制品，其中，第一材料选自下组：镍，钼，钛，锆，钽，合金钢，不锈钢，镍基超合金，钴基超合金，铜或它们的混合物。


7.如权利要求5所述的制品，其中，第二材料选自下组：铝，镍，合金钢，不锈钢，镍基超合金或它们的混合物。


8.如权利要求1所述的制品，其中，集电器的厚度在1纳米至100微米之间。


9.如权利要求1所述的制品，其中，固态电解质材料包括选自下组的材料：锂磷氧氮(LiPON)，氧化物基石榴石，钠超离子导体(NaSICON)，锂超离子导体(LiSICON)，硫代LiSICON，硫化物玻璃，聚合物或它们的混合物。


10.如权利要求9所述的制品，其中，固态电解质材料选自下组：锂镧锆氧化物(LLZO)，铝掺杂的LLZO，钽掺杂的LLZO，磷酸锂铝钛(LATP)，磷酸锂铝锗(LAGP)，硫化磷锂(LPS)，聚环氧乙烷(PEO)，聚丙烯腈(PAN)，结晶热塑性聚合物或它们的混合物。


11.如权利要求10所述的制品，其中，固态电解质材料包含锂镧锆氧化物(LLZO)或其衍生物。


12.如权利要求1所述的制品，其中，使用化学气相沉积，物理气相沉积，原子层沉积，浆料浇注和烧结，刷涂，粉末涂覆，热喷涂，冷喷涂，气溶胶沉积，助熔沉积，电沉积，无电化学沉积或它们的组合中的至少一种将固态电解质材料包覆在集电器上。


13.如权利要求1所述的制品，其中，固态电解质材料的厚度在1纳米至100微米之间。


14.如权利要求1所述的制品，其中，阴极活性材料包括选自下组的活性材料：层状氧化物，橄榄石磷酸盐，尖晶石氧化物，无序岩盐氧化物，转换阴极，硫，硫化钛锂，氧化钒或它们的混合物。


15.如权利要求14所述的制品，其中，活性材料包括以下中的至少一种：锂钴氧化物(LCO)，锂镍锰钴氧化物，锂镍氧化物(LNO)，锂镍钴铝氧化物(NCA)，磷酸铁锂(LFP)，磷酸镍锂(LNP)，磷酸钴锂(LCP)，磷酸锰锂(LMP)，锂锰氧化物(LMO)，锂镍锰氧化物(LMNO)，锂镍锆氧化物，锂锆氧化物，锂镁锆氧化物，锂镍钽氧化物，锂铌氧化物，硫化铁锂，氟化铜锂，氟化铁锂或它们的混合物。


16.如权利要求1所述的制品，其中，阴极活性材料与离子导电材料一起形成复合阴极层。


17.如权利要求16所述的制品，其中，离子导电材料包括以下中的至少一种：氧化物固体电解质，磷酸盐固体电解质，硫基固体电解质，聚合物基固体电解质或凝胶基电解质。


18.如权利要求1所述的制品，其中，阴极活性材料的厚度在1纳米至400微米之间。


19.如权利要求1所述的制品，其中，阴极活性材料和集电器具有相同的平面形状，并且在每个层状结构中彼此直接叠置。


20.一种制造电化学装置的方法，所述方法包括：
(a)提供阴极活性材料层；
(b)提供包覆有固态电解质材料的集电器；
(c)将阴极活性材料层放置成与固态电解质材料接触以形成第一层状结构；
(d)重复步骤(a)-(c)以形成第二层状结构；以及
(e)将第一层状结构和...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·坂本，T·汤普森，N·泰勒，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US