固态电池制造技术

本发明专利技术提供可再充电的电池，其包括布置在两个电极之间的含有碱金属的固态电解质(SSE)。所述电池在体积上受到约束，从而在电压循环条件下，例如通过对所述固态电解质和电解质

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态电池
专利

[0001]本专利技术涉及具有碱金属硫化物固态电解质的固态电池的领域。

技术介绍

[0002]固态锂离子导体，实现所有固态锂离子电池的关键组件，是电池领域中最追求的研究目标之一。对固态电解质和更一般地对固态电池的强烈兴趣主要源于改进的安全性、实现新电极材料的能力和更好的低温性能。由于目前使用的液态电解质通常是高度易燃的有机溶剂，因此期望固态电池单元的安全性改进。用不易燃的固体代替这些电解质将消除电池安全性的最成问题的方面。此外，固态电解质与若干不能用基于液态电解质的配置实施的高能量密度电极材料相容。固态电解质还比液态电解质维持更好的低温操作，液态电解质在低温下经历显著的离子传导率下降。这种低温性能在快速增长的电动车辆市场中是关键的。
[0003]在目前研究的固态电解质中，硫化物仍然是最高性能和最有前途的家族之一。硫化物玻璃固态电解质和玻璃
‑
陶瓷固态电解质(其中晶相已经沉淀在玻璃基质内)已经分别展示0.1
‑
1mS cm
‑1数量级和高于1mS cm
‑1的离子传导率。陶瓷
‑
硫化物电解质，最显著的是Li
10
GeP2S
12
(LGPS)和Li
10
SiP2S
12
(LSPS)，是特别有前途的，因为它们维持极高的离子传导率。LGPS是最初的固态电解质之一，达到可与液态电解质相当的离子传导率12mS cm
‑1，仅被LSPS替代，LSPS实现了25mS cm
‑1的惊人高的离子传导率。尽管具有这些有前景的电导率，但陶瓷
‑
硫化物家族受到窄稳定窗口的困扰。也就是说，LGPS和LSPS两者都倾向于在相对于锂金属低于大约1.7V的电压下还原或在高于大约2.1V下氧化。已经证明这种有限的稳定窗口是需要在大约0
‑
4V的电压范围内工作的电池单元的主要障碍。
[0004]因此，需要一种改进的固态电池，其结合了具有可控结构性质和表面化学的固态电解质。

技术实现思路

[0005]我们已经开发了使用具有改进的循环性能的固态电解质的可再充电的固态电池。本文公开的可再充电的固态电池是有利的，因为固态电解质具有优越的电压稳定性和优异的电池循环性能。本专利技术的电池可以针对锂枝晶的形成而稳定化和/或可以在高电流密度下工作延长的循环次数。
[0006]在一个方面，本专利技术的特征在于可再充电的电池，其包括第一电极、第二电极和布置在其间的固态电解质。所述固态电解质包括硫化物，所述硫化物包含碱金属，例如锂。在某些实施方案中，固态电解质处于足以在电化学循环期间稳定固态电解质的体积约束下。在特定实施方案中，所述体积约束对固态电解质施加约70MPa至约1,000MPa，例如约100
‑
250MPa的压力，例如对固态电解质的显微结构施加15GPa数量级的机械压缩。在某些实施方案中，体积约束提供1V至10V，例如1
‑
8V、5.0
‑
8V或大于5.7V或甚至大于10V的电压稳定窗口。
[0007]在一些实施方案中，固态电解质具有核壳形态。在某些实施方案中，碱金属是Li、Na、K、Rb或Cs，例如Li。在一些实施方案中，固态电解质包含SiPS、GePS、SnPS、PSI或PS。在一些实施方案中，固态电解质是Li
10
SiP2S
12
、Li
10
GeP2S
12
或Li
9.54
Si
1.74
P
1.44
S
11.7
Cl
0.3
。在一些实施方案中，第一电极是阴极，其可以包含LiCoO2、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、V Li2CoPO4F、LiNiPO4、Li2Ni(PO4)F、LiMnF4、LiFeF4或LiCo
0.5
Mn
1.5
O4。在某些实施方案中，第二电极是阳极，并且可以包括锂金属、锂化石墨或Li4Ti5O
12
。在特定实施方案中，体积约束提供约1Gpa至约100Gpa，例如约15GPa的对固态电解质的机械压缩。
[0008]在另一方面，本专利技术的特征在于可充电的电池，其包括第一电极、第二电极和布置在其间的固态电解质，其中第二电极是包含碱金属和石墨的阳极。在一些实施方案中，电池处于约70
‑
1000MPa，例如约100
‑
250MPa的压力下。在特定的实施方案中，碱金属和石墨形成复合材料。在一些实施方案中，碱金属是Li、Na、K、Rb或Cs，例如Li。在一些实施方案中，固态电解质包含SiPS、GePS、SnPS、PSI或PS。在某些实施方案中，固态电解质是Li
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SiP2S
12
、Li
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GeP2S
12
或Li
9.54
Si
1.74
P
1.44
S
11.7
Cl
0.3
。在特定的实施方案中，第一电极是阴极，并且可以包含LiCoO2、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、VLi2CoPO4F、LiNiPO4、Li2Ni(PO4)F、LiMnF4、LiFeF4或LiCo
0.5
Mn
1.5
O4。在一些实施方案中，电池处于提供约1GPa至约100GPa，例如约15GPa的对固态电解质的机械压缩的外部应力下。
[0009]在另一方面，本专利技术的特征在于可再充电的电池，其包括第一电极、第二电极和布置在其间的固态电解质，其中所述固态电解质可以包括包含碱金属的硫化物；并且所述电池处于等容约束下。在一些实施方案中，所述等容约束通过在约3
‑
1000MPa，例如约100
‑
250MPa的压力下压缩固态电解质来提供。在某些实施方案中，碱金属是Li、Na、K、Rb或Cs，例如Li。在一些实施方案中，固态电解质包含SiPS、GePS、SnPS、PSI或PS。在某些实施方案中，固态电解质是Li
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SiP2S
12
、Li
10
GeP2S
12
或Li
9.54
Si
1.74
P
1.44
S
11.7
Cl
0.3
。在特定的实施方案中，第一电极是阴极，并且可以包含LiCoO2、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、V Li2CoPO4F、LiNiPO4、Li2Ni(PO4)F、LiMnF4、LiFeF4或LiCo
0.5
Mn
1.5
O4。在一些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.可再充电的电池，其包括第一电极、第二电极和布置在其间的固态电解质，其中所述固态电解质包含含有碱金属的硫化物，其中所述固态电解质在电化学循环期间处于足以稳定所述固态电解质的体积约束下。2. 权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述体积约束对所述固态电解质施加约70 MPa至约1,000 MPa的压力。3. 权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述体积约束对所述固态电解质施加约100 MPa至约250 MPa的压力。4. 权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述体积约束提供1 V至10 V的电压稳定窗口。5.权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述固态电解质具有核壳形态。6.权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述碱金属是Li、Na、K、Rb或Cs。7.权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述固态电解质包含SiPS、GePS、SnPS、PSI或PS。8.权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述固态电解质是Li
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、Li
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GeP2S
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或Li
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Si
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。9. 权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述第一电极是阴极并且包含LiCoO2、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、V Li2CoPO4F、LiNiPO4、Li2Ni(PO4)F、LiMnF4、LiFeF4或LiCo
0.5
Mn
1.5
O4。10.权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述第二电极是阳极并且包含锂金属、锂化石墨或Li4Ti5O
12
。11. 权利要求1所述的可再充电的电池，其中所述体积约束提供约1 GPa至约100 GPa的对所述固态电解质的机械压缩。12.可再充电的电池，其包括第一电极、第二电极和布置在其间的固态电解质，其中所述第二电极是包含碱金属和石墨的阳极。13. 权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述电池处于约70
‑
1000 MPa的压力下。14. 权利要求13所述的可再充电的电池，其中所述电池处于约100
‑
250 MPa的压力下。15.权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述碱金属和石墨形成复合材料。16.权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述碱金属是Li、Na、K、Rb或Cs。17.权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述固态电解质包含SiPS、GePS、SnPS、PSI或PS。18.权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述固态电解质是Li
10
SiP2S
12、
Li
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GeP2S
12
或Li
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Si
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0.3
。19. 权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述第一电极是阴极并且包含LiCoO2、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、V Li2CoPO4F、LiNiPO4、Li2Ni(PO4)F、LiMnF4、LiFeF4或LiCo
0.5
Mn
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O4。20. 权利要求12所述的可再充电的电池，其中所述电池处于提供约1 GPa至约100 GPa之间的对所述固态电解质的机械压缩的外部应力下。21.可再充电的电池，其包括第一电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：哈佛大学校长及研究员协会，
类型：发明
国别省市：