无阳极固态电池组及电池组制造的方法技术

本发明专利技术公开了一种无阳极固态电池组，其包括含有瞬态阳极元素的阴极层和不含非瞬态阳极材料且被配置为在其上接收瞬态阳极元素的裸露集流体。所述电池组还包括限定空隙且被布置在所述集流体和所述阴极层之间的固态电解质层。所述电池组额外包括位于所述固态电解质内和所述阴极层内的凝胶，以浸透电解质空隙并形成胶凝的固态电解质层、涂覆阴极层、以及促进阳极元素在所述阴极层、所述固态电解质层和所述集流体之间的离子传导。给电池组充电使阳极元素经由胶凝的固态电解质层从阴极层扩散到集流体上。将电池组放电将阳极元素经由胶凝的固态电解质层返回到阴极层。采用特定的方法来制造所述无阳极固态电池组。来制造所述无阳极固态电池组。来制造所述无阳极固态电池组。

【技术实现步骤摘要】
无阳极固态电池组及电池组制造的方法


[0001]本专利技术涉及无阳极固态电池组及电池组制造的方法。

技术介绍

[0002]本公开涉及无阳极固态电池组和制造所述电池组的方法。
[0003]电化学储能装置，例如锂离子电池组，可用于为各种物品如玩具、消费电子产品和机动车供电。通常，电池组包括两个电极以及电解质组件和/或隔离件。两个电极中的一个通常充当正电极或阴极，而另一个电极充当负电极或阳极。这样的电池组还可以包括各种端子和包装材料。电化学电池组电池可大致分为一次电池组和二次电池组。一次电池组，也被称为一次性电池组，意在使用到电量耗尽，之后它们用新电池组简单替换。二次电池组，通常被称为可再充电电池组，采用了允许这样的电池组反复地充电和重复使用的特定的化学成分，因此与一次性电池组相比，提供经济、环保和使用方便的优点。
[0004]可再充电电池组可以是固体形式、液体形式或固体
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液体混合形式。在负电极和正电极之间可以设置隔离件和/或电解质。电解质用于在电极之间传导锂离子，并且类似于电极，可以是固体形式、液体形式或固体
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液体混合形式。在固态电池组的情况下，其包括设置在固态电极之间的固态电解质层，固态电解质层物理分隔固态电极，使得不需要单独的隔离件。具体而言，可再充电锂离子电池组通过在负电极和正电极之间可逆地来回传递锂离子来运行。例如，在电池组的充电过程中，锂离子可以从正电极移动到负电极，并在电池组放电时在相反的方向上移动。
[0005]与使用液体电解质的电池组相比，固态电池组通常具有以下优点，例如更长的贮藏寿命、更低的自放电倍率、更简单的包装和热管理，以及在更宽的温度窗口内运行的能力。例如，固态电解质通常是不挥发和不可燃的，这允许这样的电池可以在更严苛的条件下循环而不会发生电势降低或热逃逸。然而，与使用液体电解质的电池组相比，固态电池组通常具有较低的功率容量和受限的能量密度。

技术实现思路

[0006]无阳极固态电池组包括阴极层，所述阴极层具有包含瞬态阳极元素的基质阴极材料。所述无阳极固态电池组还包括裸露集流体，所述裸露集流体的特征在于不含非瞬态阳极材料，并被配置为在电池组充电过程中在其上接收瞬态阳极元素。所述电池组额外包括限定空隙并被布置在裸露集流体和阴极层之间的固态电解质层。所述电池组还包括位于固态电解质层和阴极层中每一个内的凝胶。如此布置的凝胶被配置为浸透固态电解质层中的空隙，以形成胶凝的固态电解质层、涂覆基质阴极材料、以及促进阳极元素在阴极层、固态电解质层和裸露集流体之间的离子传导。本主题电池组的充电从阴极层中提取阳极元素、使阳极元素经由胶凝的固态电解质层扩散、以及将阳极元素沉积到裸露集流体上以形成瞬态阳极材料。本主题电池组的放电将阳极元素经由胶凝的固态电解质层从集流体返回到阴极层。
[0007]本主题无阳极固态电池组可以是锂离子电池组，并且可以包括多个双极堆叠的电池组电池，使得每个内部阴极层与内部集流体相邻布置。
[0008]所述裸露集流体可以是布置在外侧电池组电池上的外侧集流体，并被配置成单层铜箔。
[0009]所述裸露集流体可以是中间集流体的一部分，所述中间集流体被布置在单个电池组电池之间并被配置成具有铜层和铝层的包层箔(clad foil)，使得铝层被布置在铜层和阴极层之间。
[0010]所述电池组还可以包括被配置为将凝胶和固态电解质封装和密封在电池组内的聚合物阻挡件(blocker)元件。
[0011]聚合物阻挡件元件可具有2
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200微米的厚度。聚合物阻挡件元件的材料可包括热熔胶粘剂、聚乙烯树脂或聚丙烯树脂、硅酮(例如聚酰胺或环氧树脂)、和丙烯酸树脂或丙烯酸橡胶、异氰酸酯胶粘剂、丙烯酸胶粘剂或氰基丙烯酸酯胶粘剂中的至少一种。
[0012]在锂离子电池组中，所述基质阴极材料可以包括橄榄石、多阴离子阴极、锂过渡金属氧化物(例如岩盐层状氧化物、尖晶石)、表面涂覆有和/或掺杂有锂过渡金属氧化物的阴极材料、以及低压阴极材料(例如锂化金属氧化物/硫化物或锂硫化物)中的至少一种。
[0013]所述阴极层的材料可额外包括具有炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、乙炔黑和碳纳米纤维/纳米管中的至少一种的导电添加剂。
[0014]所述基质阴极材料和/或所述固态电解质层可额外包括具有聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、苯乙烯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)和苯乙烯
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乙烯
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丁二烯
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苯乙烯共聚物(SEBS)中的至少一种的粘合剂材料。
[0015]所述凝胶可包含聚合物组成材料和液体电解质。还公开了制造无阳极固态电池组(例如锂离子电池组)的方法。所述方法具体包括将固态电解质层和阴极层彼此相邻布置，其中固态解质层限定空隙并与包含溶剂的凝胶前体组合。所述方法还包括在所述固态电解质层内和所述阴极层内形成凝胶，以由此形成胶凝的固态电解质层并涂覆所述基质阴极材料。所述方法额外包括抵靠胶凝的固态电解质层布置裸露集流体，所述裸露集流体的特征在于不含非瞬态阳极材料并被配置为在电池组充电过程中在其上接收瞬态阳极元素。
[0016]本专利技术公开了以下技术方案：1. 一种无阳极固态电池组，其包括：阴极层，其具有包含瞬态阳极元素的基质阴极材料；裸露集流体，其特征在于不含非瞬态阳极材料，并被配置为在电池组充电过程中在其上接收所述瞬态阳极元素；固态电解质层，其限定空隙并被布置在所述集流体和所述阴极层之间；以及凝胶，其位于所述固态电解质和所述阴极层中每一个内，如此被配置为浸透所述固态电解质层中的所述空隙，以形成胶凝的固态电解质层、涂覆所述基质阴极材料、以及促进所述阳极元素在所述阴极层、所述固态电解质层和所述裸露集流体之间的离子传导；其中：所述电池组的充电从所述阴极层中提取所述阳极元素、使所述阳极元素经由所述胶凝的固态电解质层扩散、以及将所述阳极元素可逆地沉积到所述裸露集流体上以形成瞬态阳极材料；以及
所述电池组的放电将所述阳极元素经由所述胶凝的固态电解质层从所述集流体返回到所述阴极层。
[0017]2. 根据技术方案1所述的无阳极固态电池组，其中所述无阳极固态电池组包括多个双极堆叠的电池组电池。
[0018]3. 根据技术方案2所述的无阳极固态电池组，其中所述裸露集流体是被布置在外侧电池组电池上的外侧集流体并被配置成单层铜箔。
[0019]4. 根据技术方案2所述的无阳极固态电池组，其中所述裸露集流体是中间集流体的一部分，所述中间集流体被布置在单个电池组电池之间并被配置成具有铜层和铝层的包层箔，使得所述铝层被布置在所述铜层和所述阴极层之间。
[0020]5. 根据技术方案1所述的无阳极固态电池组，其进一步包括被配置为将所述凝胶和所述固态电解质封装并密封在所述电池组内的聚合物阻挡件元件。
[0021]6. 根据技术方案5所述的无阳极固态电池组，其中所述聚合物阻挡件元件的材料包括热熔胶粘剂、聚乙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造无阳极固态电池组的方法，所述方法包括：将下列层彼此相邻布置：固态电解质层，其限定空隙并与包含溶剂的凝胶前体组合，使得所述凝胶前体浸透所述空隙；和阴极层，其具有包含瞬态阳极元素的基质阴极材料；在所述固态电解质层内和所述阴极层内形成凝胶，以由此形成胶凝的固态电解质层并涂覆所述基质阴极材料；以及抵靠所述胶凝的固态电解质层布置裸露集流体，所述裸露集流体的特征在于不含非瞬态阳极材料并被配置为在电池组充电过程中在其上接收所述瞬态阳极元素，其中，如此所形成的凝胶促进所述阳极元素在所述阴极层、所述固态电解质层和所述裸露集流体之间的离子传导；使得：所述电池组的充电从所述阴极层中提取所述阳极元素、使所述阳极元素经由所述胶凝的固态电解质层扩散、以及将所述阳极元素可逆地沉积到所述裸露集流体上以形成瞬态阳极材料；以及所述电池组的放电将所述阳极元素经由所述胶凝的固态电解质层从所述集流体返回到所述阴极层。2.根据权利要求1所述的方法，其中相对于彼此堆叠所述裸露集流体、所述阴极层和所述固态电解质包括构建多个双极堆叠的电池组电池。3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述裸露集流体布置在外侧电池组电池上，并且其中所述裸露集流体是被配置成单层铜箔的外侧集流体。4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述裸露集流体布置在单个电池组电池之间，其中所述裸露集流体是被配置成具有铜层和铝层的包层箔的中间集流体的一部分，其进一步包括布置所述中间集流体使得所述铝层被布置在所述铜层和所述阴极层之间。5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括布置聚合物阻挡件元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李喆，陆涌，刘海晶，苏启立，阙小超，M，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：