具有优化尺寸和次相浓度的快速烧结阴极及其形成方法技术

用于电池的烧结电极，所述烧结电极具有：放置成面朝集流器的第一表面和放置成面朝电解质层的第二表面，使得烧结电极包含：第一相和第二相，使得：第一相具有锂化合物，以及第二相具有多孔结构或者固态Li离子导体中的至少一种，以及使得：第一表面与第二表面之间的烧结电极的厚度范围是10μm至200μm。结电极的厚度范围是10μm至200μm。结电极的厚度范围是10μm至200μm。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有优化尺寸和次相浓度的快速烧结阴极及其形成方法

技术介绍

[0001]本申请根据35 U.S.C.
§
119，要求2020年4月2日提交的美国临时申请系列第63/004,136号的优先权权益，本文以其作为基础并将其全文通过引用结合于此。
1.

[0002]本公开内容涉及具有优化尺寸和次相浓度的快速烧结阴极。
[0003]2.技术
[0004]正在采用具有锂(Li)金属阳极的固态(SS)电池结构来努力提高锂离子(Li离子)电池的能量密度。Li金属的理论电荷容量约为石墨碳的10倍那么高，后者被用于常规Li离子电池。目前来说，开发SS Li电池的努力聚焦于开发具有高Li离子传导性的材料，从而使得快速充电和放电的内部电芯电阻最小化。
[0005]现有阴极材料中Li离子的缓慢传导速率限制了可用容量，限制充电速度以及传递可持续能源的能力，并且使得具有绝对容量目标的电池制造是繁琐且昂贵的。
[0006]本申请公开了改进的阴极及其形成方法用于Li离子电池应用。

技术实现思路

[0007]在一些实施方式中，用于电池的烧结电极，所述烧结电极具有：放置成面朝集流器的第一表面和放置成面朝电解质层的第二表面，其中，烧结电极包含：第一相和第二相，其中：第一相包含锂化合物，以及第二相包含多孔结构或者固态Li离子导体中的至少一种，以及其中：第一表面与第二表面之间的烧结电极的厚度范围是10μm至200μm。
[0008]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，第二相包括多孔结构，其中：烧结电极具有5％至35％的开放孔隙度，以及多孔结构是在第一相内连续的。
[0009]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，平均来说，多孔结构的孔对齐成相对于垂直于烧结电极的第一和第二表面相差在25
°
之内。
[0010]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，多孔结构被液体电解质渗透。
[0011]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，液体电解质包括以下至少一种：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、硼酸二草酸根(oxalto)锂(LiBOB)、硼酸二氟草酸根(oxalto)锂(LiDFOB)、三氟磺酰酰亚胺锂(LiTFSI)或其组合。
[0012]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，第二相包括以烧结电极的5体积％至35体积％的范围存在的固态Li离子导体。
[0013]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，固态Li离子导体具有超过10
‑4S/cm的锂离子传导率。
[0014]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，固态Li离子导体是以下至少一种：石榴石锂(LLZO)、硼酸锂(LBO)、钛酸锂镧(LTO)、磷酸锂铝钛(LATP)、磷酸锂铝锗(LAGP)、Li
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、磷硫化锂(LPS)其组合或其经掺杂的变化形式。
[0015]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，锂化合物包括以下至少一种：辉钴矿锂(LCO)、辉钴矿锂镍锰(NMC)、亚锰酸锂尖晶石、铝酸锂镍钴(NCA)、亚锰酸锂铁(LMO)、磷酸锂铁(LFP)、磷酸锂钴、锰酸锂镍、硫化锂钛，或其组合。
[0016]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，烧结电极是电池的自支撑基材。
[0017]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，电池不包含非活性(inactive)基材。
[0018]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，第一相与第二相之间的周长
‑
表面积之比是至少0.4μm
‑1。
[0019]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，烧结电极的横截面面积是至少3cm2。
[0020]在一些实施方式中，用于电池的阴极包括：第一相和第二相，以及第一表面和第二表面，其中，第一表面与第二表面之间的厚度是10μm至200μm；以及其中，阴极具有以下至少一种性质：开放孔隙度是5％至35％；锂离子传导率超过10
‑4S/cm；以及第一相与第二相之间的周长
‑
表面积之比是至少0.4μm
‑1。
[0021]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，烧结阴极的横截面面积是至少3cm2。
[0022]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，电池包括：本文所述实施方式的阴极；渗透阴极的多孔区域的电解质材料；其中，阴极是电池的基材。
[0023]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，电解质选自：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、硼酸二草酸根(oxalto)锂(LiBOB)、硼酸二氟草酸根(oxalto)锂(LiDFOB)、三氟磺酰酰亚胺锂(LiTFSI)或其组合；石榴石锂(LLZO)、硼酸锂(LBO)、钛酸锂镧(LTO)、磷酸锂铝钛(LATP)、磷酸锂铝锗(LAGP)、Li
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、磷硫化锂(LPS)其组合或其经掺杂的变化形式。
[0024]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，电池不包含非活性(inactive)基材。
[0025]在可以与任意其他方面或实施方式结合的一个方面中，所述电池的体积小于包含布置在非活性基材上的阴极的电池的体积。
[0026]要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
附图说明
[0027]所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
[0028]图1显示对于LiPON电解质(1μm)和LLZO电解质(20μm)的体积能量密度和最大C速率容量与LCO阴极厚度的函数关系。
[0029]图2的横截面示意图显示根据一些实施方式的具有烧结阴极的Li离子电池。
[0030]图3是常规Li离子电池的横截面示意图。
[0031]图4是图2的电池的充电容量与图3的电池的充电容量的对比图。
[0032]图5
‑
8分别是根据一些实施方式的样品E1
‑
E4的抛光横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0033]图9显示根据一些实施方式的样品E1
‑
E4的充电容量与充电速度的函数关系。
[0034]图10显示根据一些实施方式的样品E1
‑
E4在1C速率时的充电容量与标称恒定孔隙度下的周长
‑
表面积之比的函数关系。
[0035]图11显示对于67μm厚LCO电极在1C速率时的建模容量与有机碳酸酯溶液中的1M LiPF6的传导率的次相传导浓度的函数关系。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电池的烧结电极，所述烧结电极具有放置成面朝集流器的第一表面和放置成面朝电解质层的第二表面，其中，烧结电极包含：第一相和第二相，其中：第一相包括锂化合物，以及第二相包括多孔结构或者固态Li离子导体中的至少一种，以及，其中：第一表面与第二表面之间的烧结电极的厚度范围是10μm至200μm。2.如权利要求1所述的烧结电极，其中，第二相包括多孔结构，其中：烧结电极具有5％至35％的开放孔隙度，以及多孔结构是在第一相内连续的。3.如权利要求1或2所述的烧结电极，其中，平均来说，多孔结构的孔对齐成相对于垂直于烧结电极的第一和第二表面相差在25
°
之内。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的烧结电极，其中，多孔结构渗透有液体电解质。5.如权利要求4所述的烧结电极，其中，液体电解质包括以下至少一种：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、硼酸二草酸根锂(LiBOB)、硼酸二氟草酸根锂(LiDFOB)、三氟磺酰酰亚胺锂(LiTFSI)或其组合。6.如权利要求1
‑
5中任一项所述的烧结电极，其中，第二相包括以烧结电极的5体积％至35体积％的范围存在的固态Li离子导体。7.如权利要求6所述的烧结电极，其中，固态Li离子导体具有超过10
‑4S/cm的锂离子传导率。8.如权利要求6所述的烧结电极，其中，固态Li离子导体是以下至少一种：石榴石锂(LLZO)、硼酸锂(LBO)、钛酸锂镧(LTO)、磷酸锂铝钛(LATP)、磷酸锂铝锗(LAGP)、Li
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、磷硫化锂(LPS)、其组合或其经掺杂的变化形式。9.如权利要求1
‑
8中任一项所述的烧结电极，其中，锂化合物包括以下至少一种：辉钴矿锂(LCO)、辉钴矿锂镍锰(NMC)、亚锰酸锂尖晶石、铝酸锂镍钴(NCA)、亚锰酸锂铁(LMO)、磷酸锂铁(LFP)、磷酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：