具有密封阳极结构的混合固态电池制造技术

本发明专利技术提供了一种整体式陶瓷电化学电池壳体。所述壳体包括两个或更多个电化学子电池壳体。所述电化学子电池壳体中的每一个均包括：阳极容纳空间、阴极容纳空间、位于阳极容纳空间和阴极容纳空间之间的隔膜以及集成的电子导电电路。第一集成电子导电电路被配置为所述阳极容纳空间内的阳极集电器。第二集成电子导电电路被设置为所述阴极容纳空间内的阴极集电器。集电器。集电器。

【技术实现步骤摘要】
具有密封阳极结构的混合固态电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是2019年12月3日提交的名称为“具有密封阳极结构的混合固态电池”的美国专利申请序列号16/702,417的申请的部分继续申请，美国专利申请序列号16/702,417的申请是2019年1月30日提交的名称为“具有密封阳极结构的混合固态电池”的美国专利申请号为16/262,058、美国专利号为10,535,900专利的分案申请，而该美国专利申请号16/262,058的申请要求2018年1月31日提交的名称为“混合固态电池”的美国临时申请号62/624,476的申请的优先权，上述申请的内容通过引用整体合并于此。
[0003]本申请还涉及于2018年1月30日提交的名称为“陶瓷锂保持装置”的美国专利申请序列号15/883,698的申请，该申请的公开内容通过引用整体合并于此。


[0004]本专利技术涉及整体式陶瓷电化学电池壳体以及相关的制造方法。

技术介绍

[0005]与之前的镍镉和锂金属氢化物电池相比，锂离子电池(LIB)显著改善了能量密度和每瓦时成本。尽管如此，在电动汽车中，生产LIB的制造成本高得令人望而却步。此外，低能量密度导致我们的电子产品比期望的更大、更笨重。该领域的最新改进已经尝试通过增加固态电池的密度来解决这些缺点。
[0006]尽管具有锂金属阳极的电池提供了优异的能量密度，但是由于在充电周期期间有形成枝晶的风险，因此可充电电池不能用锂金属阳极来构造。在充电周期中枝晶的形成会导致短路，该短路会在液体电解质着火时引起爆炸和燃烧。液体电解质是高度易燃的有机溶剂，并确实会防止阳极和阴极之间的枝晶生长。因此，LIB通常由嵌入阳极组成，其允许锂离子插入晶体结构而不是电镀到集电器上。将锂离子插入晶体结构会将阳极的有效能量存储容量降低到小于锂金属理论容量的10％。
[0007]液体电解质还限制了电池的最大电压。典型的液体电解质会在阳极和阴极之间高于四伏的电压差下分解，这有效地将LIB的最大开路电压限制为约3.8伏。可以在锂阳极上产生6伏电压的阴极材料被认为是实用的，但却不适用于带有液体电解质的电池。使用这种高电压阴极的能力可以将电池的能量密度提高50％。
[0008]一种明显的解决方案是使用不易形成枝晶的非易燃电解质，其不受6伏以上电势的影响，并具有等于或接近液体电解质的离子电导率。尽管具有高锂离子电导率的陶瓷满足这些要求，但它们也具有妨碍实际应用的物理和化学特性。例如，陶瓷材料通常非常坚硬且具有脆性。此外，实际的电池由子电池堆叠组成，每个子电池又包括电化学电池的基本组件的非常薄的层。常见的方法包括通过成片地生产薄层(隔膜的厚度<40μm)并按顺序组装它们来构造电池。然而，薄层是易碎的并且很少是平坦的，从而导致跨接面的各个层之间的不连续接触。向层的堆叠施加压力趋于改善接触，但是不可接受地增加了使层破裂的风险。
[0009]此外，对层的堆叠施加压力不能在层之间建立整体连接，而是在两个表面之间产
生压力接触。典型的电池材料具有化学活性，导致该接触与周围环境发生反应。换句话说，即使在类似材料之间的表面接触也将易于在接触点处增加离子和/或电阻。
[0010]与具有锂金属阳极的电池相关的其他缺点包括难以在阳极空间周围实现真正的气密密封。进入阳极空间的任何氧气或水都会引起锂的氧化，因此非气密性密封都会由于氧气或水会泄漏到电池中而降低容量并最终破坏电池。尽管显然液体电解质具有明显的缺点，但是液体电解质能够流入锂原子被氧化成锂离子并穿过隔膜移动到阴极的任何开放空间中，以维持整个电池的离子导电性。陶瓷电解质不具备这种能力。因此，使用陶瓷电解质的常规方法是在锂金属和陶瓷阴极之间产生平面界面。以此方式，仅靠近陶瓷电解质的锂薄层可被氧化并移动到电解质中。其结果是极大地限制了阳极的能量存储能力。薄膜固态电池体现了这一缺点，因为锂金属阳极的可用厚度仅为所沉积金属的一小部分。
[0011]有必要解决当前固态电池开发工作的不足。

技术实现思路

[0012]本专利技术提供了整体式陶瓷电化学电池壳体。该壳体包括两个或更多个电化学子电池壳体。电化学子电池壳体中的每一个均包括阳极容纳空间、阴极容纳空间、在阳极容纳空间和阴极容纳空间之间的隔膜以及集成的电子导电电路。第一集成电子导电电路作为阳极集电器配置在阳极容纳空间内。第二集成电子导电电路作为阴极集电器设置为阴极容纳空间内。
[0013]在一些实施例中，阳极容纳空间被配置为部分地填充有固态电解质材料束的气密密封的体积。固态电解质材料包括高密度陶瓷。该高密度陶瓷可以选自下述物质的组：硫化物，硼化物，碳化物，氮化物，磷化物，氧化物，硒化物，氟化物，氯化物，溴化物，碘化物或它们的组合。该固态电解质束可以在隔膜和阳极集电器之间形成具有连续离子导电性的网络。
[0014]该电解质束可以占据阳极容纳空间20％至80％的体积。阳极集电器可以用作电化学子电池壳体的阳极容纳空间和第二相邻电化学子电池壳体的第二阳极容纳空间的集电器。
[0015]阴极容纳空间可以部分地填充有体积在1％到60％之间的陶瓷材料束。在另一个实施例中，阴极容纳空间可以没有陶瓷电解质材料。整体式陶瓷电化学电池壳体还可在每个电化学子电池壳体之间包括绝缘材料。
[0016]阴极层可在被配置为容纳阴极电解液的填充孔中包含密封结构。该密封结构可以被配置为隔离阴极电解质并提供来自所述阴极容纳空间的压力释放。在初始充电阶段期间，阳极容纳空间可以填充阳极活性材料。
[0017]阳极容纳空间可以被密封，并且阴极容纳空间可以被部分密封。整体式陶瓷电化学电池壳体还可包括连接阳极子电池集电器的阳极电触点和连接阴极子电池集电器的阴极电触点。
[0018]本申请还提供了一种用于组装整体式陶瓷电化学电池壳体的制造方法。该方法可以包括以柔性形式沉积前体材料以形成多层结构。该方法还可以包括加热多层结构以将前体转化成在沉积层之间不含物理界面的单个整体式结构。在一些实施例中，形式是流体，选自由糊剂、可流动粉末和生坯带构成的组。在一些实施例中，使用增材制造技术来沉积前
体。
附图说明
[0019]为了描述获得上述公开内容及其优点和特征的方式，将通过参照附图中示出的特定示例来对上述原理进行更具体的描述。这些附图仅描绘了本申请的示例性方面，因此不应视为对其范围的限制。通过使用以下附图，以附加的具体内容和细节来描述和解释这些原理。
[0020]图1示出了根据本申请的实施例的示例性固态电池；
[0021]图2示出了根据本申请的实施例的图1的示例性固态电池的集成框架；
[0022]图3示出了根据本申请实施例的子电池壳体；
[0023]图4示出了根据本申请的实施例的子电池壳体；
[0024]图5示出了根据本申请的实施例的子电池壳体；
[0025]图6是示出根据本申请的实施例的子电池壳体的制造方法的流程图；
[0026]图7示出了根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种整体式陶瓷电化学电池，其特征在于，包括：第一电化学子电池壳体，其包括：第一阳极容纳空间、阴极容纳空间以及位于所述第一阳极容纳空间和所述阴极容纳空间之间的第一隔膜；第二电化学子电池壳体，其包括：第二阳极容纳空间、阴极容纳空间以及位于所述第二阳极容纳空间和所述阴极容纳空间之间的第二隔膜，所述阴极容纳空间是所述第一电化学子电池壳体和所述第二电化学子电池壳体的阴极容纳空间。2.根据权利要求1所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述阴极容纳空间的一侧由第一阴极集电器界定，而另一侧由第二阴极集电器界定。3.根据权利要求2所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述第一电化学子电池壳体包括所述第一阴极集电器，并且所述第二电化学电池壳体包括所述第二阴极集电器。4.根据权利要求1所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述阴极容纳空间包括构造成容纳阴极电解液的填充孔，所述填充孔包括密封件，所述密封件被配置成隔离所述阴极电解质并提供来自于所述阴极容纳空间的压力释放。5.根据权利要求1所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述第一电化学电池子电池壳体包括第一多个集成电子导电电路，所述第二电化学子电池壳体包括第二多个集成电子导电电路。6.根据权利要求5所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述第一多个集成电子导电电路和所述第二多个集成电子导电电路的每一个均包括阳极集电器和阴极集电器。7.根据权利要求1所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述阳极容纳空间被配置为部分填充有固态电解质的气密密封体积。8.根据权利要求7所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述固态电解质包括陶瓷。9.根据权利要求8所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述陶瓷选自下以下构成的组：硫化物、硼化物、碳化物、氮化物、磷化物、氧化物、硒化物、氟化物、氯化物、溴化物、碘化物及其组合。10.根据权利要求7所述的整体式陶瓷电化学电池，其特征在于：所述固态电解质在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普，
申请(专利权)人：萨库公司，
类型：发明
国别省市：