具有高离子电导率的薄固态电解质制造技术

本申请涉及具有高离子电导率的薄固态电解质。提供了一种用于电化学电池中的自立式电解质层。所述自立式电解质层包含多个固态电解质颗粒、包围所述多个固态电解质颗粒中的每个固态电解质颗粒的(第一)离子液体、和为所述固态电解质颗粒提供结构框架的多个聚四氟乙烯原纤维。所述自立式电解质层具有在40℃大于或等于约0.1mS/cm的离子电导率和大于或等于约5

【技术实现步骤摘要】
具有高离子电导率的薄固态电解质


[0001]本专利技术涉及具有高离子电导率的薄固态电解质。

技术介绍

[0002]本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0003]电化学能量存储装置例如锂离子电池组可用于各种产品，包括汽车产品例如起动停止系统(例如12V起动停止系统)，电池组辅助系统("μBAS")，混合动力电动车辆("HEV")和电动车辆("EV")。典型的锂离子电池组包括两个电极和电解质组分和/或隔离件。两个电极中的一个可以用作正电极或阴极，而另一个电极可以用作负电极或阳极。锂离子电池组还可以包括各种端子和封装材料。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工作。例如，锂离子可在电池组充电期间从正电极移动到负电极并在电池组放电时以相反方向移动。隔离件和/或电解质可设置在负电极和正电极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子并且与两个电极一样可以是固体形式、液体形式或固液混杂形式。在固态电池组(其包括设置在固态电极之间的固态电解质层)的情况中，固态电解质物理地分隔固态电极，使得不需要独立的隔离件。
[0004]使用湿浆技术制备的自立式(free
‑
standing)固态电解质例如硫化物电解质膜通常具有低离子电导率(例如在40℃约0.28mS/cm)，这不利地降低了电池组的功率容量(power capability)。使用干压方法制备的自立式固态电解质例如硫化物电解质膜通常具有更高的离子电导率(例如在40℃大于或等于约1mS/cm)，但通常具有降低固态电池组的整体能量密度的更大的厚度(例如约1,000
µ
m)。因此，希望开发具有改进的离子电导率和机械可弯曲性的固态电解质层以及其制造方法。

技术实现思路

[0005]本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
[0006]本公开涉及固态电池组以及其形成方法。更具体地，本公开涉及电解质层，例如自立式硫化物电解质膜，其具有改进的离子电导率(例如在40℃约1.2mS/cm)和机械性能(例如大于或等于约5
µ
m至小于或等于约500
µ
m)。
[0007]在各个方面中，本公开提供了一种用于电化学电池中的自立式电解质层。所述自立式电解质层可以包含多个固态电解质颗粒、包围所述多个固态电解质颗粒中的每个固态电解质颗粒的离子液体、和为所述固态电解质颗粒提供结构框架的多个聚四氟乙烯(PTFE)原纤维(fibrils)。所述自立式电解质层可以具有在40℃大于或等于约0.1mS/cm的离子电导率。所述自立式电解质层可以具有大于或等于约5
µ
m至小于或等于约500
µ
m的厚度。
[0008]在一个方面中，所述自立式电解质层包含大于或等于约70重量％至小于或等于约99重量％的所述多个固态电解质颗粒，大于或等于约0.1重量％至小于或等于约20重量％的所述离子液体，和大于或等于约0.1重量％至小于或等于约10重量％的所述多个聚四氟乙烯(PTFE)原纤维。
[0009]在一个方面中，所述多个固态电解质颗粒可以选自：固态硫化物电解质颗粒、固态卤化物基电解质颗粒、固态氢化物基固态电解质颗粒及它们的组合。
[0010]在一个方面中，所述离子液体可以覆盖所述多个固态电解质颗粒中的每个固态电解质颗粒的暴露表面的大于或等于约2％至小于或等于约100％。
[0011]在一个方面中，所述自立式电解质层可以具有大于或等于约0.1体积%至小于或等于约40体积%的孔隙率。
[0012]在一个方面中，所述离子液体可以包含选自以下的阳离子：(三乙二醇二甲醚)锂([Li(G3)]+
)、(四乙二醇二甲醚)锂([Li(G4)]+
)、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Emim]+
)、1
‑
丙基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Pmim]+
)、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Bmim]+
)、1,2
‑
二甲基
‑3‑
丁基咪唑鎓([DMBim])、1
‑
烷基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Cnmim]+
)、1
‑
烯丙基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Amim]+
)、1,3
‑
二烯丙基咪唑鎓([Daim]+
)、1
‑
烯丙基
‑3‑
乙烯基咪唑鎓([Avim]+
)、1
‑
乙烯基
‑3‑
乙基咪唑鎓([Veim]+
)、1
‑
氰基甲基
‑3‑
甲基咪唑鎓([MCNim]+
)、1,3
‑
二氰基甲基
‑
咪唑鎓([BCNim]+
)、1
‑
丙基
‑1‑
甲基哌啶鎓([PP
13
]+
)、1
‑
丁基
‑1‑
甲基哌啶鎓([PP
14
]+
)、1
‑
甲基
‑1‑
乙基吡咯烷鎓([Pyr
12
]+
)、1
‑
丙基
‑1‑
甲基吡咯烷鎓([Pyr
13
]+
)、1
‑
丁基
‑1‑
甲基吡咯烷鎓([Pyr
14
]+
)、甲基
‑
甲基羧甲基
‑
吡咯烷鎓([MMMPyr]+
)、四甲基铵([N
1111
]+
)、四乙基铵([N
2222
]+
)、三丁基甲基铵([N
4441
]+
)、二烯丙基二甲基铵([DADMA]+
)、N
‑
N
‑
二乙基
‑
N
‑
甲基
‑
N
‑
(2
‑
甲氧基乙基)铵([DEME]+
)、N,N
‑
二乙基
‑
N
‑
(2
‑
甲基丙烯酰基乙基)
‑
N
‑
甲基铵([DEMM]+
)、三甲基异丁基
‑
鏻([P
111i4
]+
)、三异丁基甲基鏻([P
1i444
]+
)、三丁基甲基鏻([P
1444
]+
)、二乙基甲基异丁基
‑
鏻([P
1224
]+
)、三己基癸基鏻([P
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电化学电池中的自立式电解质层，所述自立式电解质层包含：多个固态电解质颗粒，离子液体，其包围所述多个固态电解质颗粒中的每个固态电解质颗粒，和多个聚四氟乙烯(PTFE)原纤维，其为所述固态电解质颗粒提供结构框架，其中所述自立式电解质层具有在40℃大于或等于约0.1mS/cm的离子电导率和大于或等于约5
µ
m至小于或等于约500
µ
m的厚度。2.根据权利要求1所述的自立式电解质层，其中所述自立式电解质层包含：大于或等于约70重量％至小于或等于约99重量％的所述多个固态电解质颗粒；大于或等于约0.1重量％至小于或等于约20重量％的所述离子液体；和大于或等于约0.1重量％至小于或等于约10重量％的所述多个聚四氟乙烯(PTFE)原纤维。3.根据权利要求1所述的自立式电解质层，其中所述多个固态电解质颗粒选自：固态硫化物电解质颗粒、固态卤化物基电解质颗粒、固态氢化物基固态电解质颗粒及它们的组合。4.根据权利要求1所述的自立式电解质层，其中所述离子液体覆盖所述多个固态电解质颗粒中的每个固态电解质颗粒的暴露表面的大于或等于约2％至小于或等于约100％。5.根据权利要求1所述的自立式电解质层，其中所述自立式电解质层的孔隙率大于或等于约0.1体积%至小于或等于约40体积%。6.根据权利要求1所述的自立式电解质层，其中所述离子液体包含选自以下的阳离子：(三乙二醇二甲醚)锂([Li(G3)]
+
)、(四乙二醇二甲醚)锂([Li(G4)]
+
)、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Emim]
+
)、1
‑
丙基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Pmim]
+
)、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Bmim]
+
)、1,2
‑
二甲基
‑3‑
丁基咪唑鎓([DMBim])、1
‑
烷基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Cnmim]
+
)、1
‑
烯丙基
‑3‑
甲基咪唑鎓([Amim]
+
)、1,3
‑
二烯丙基咪唑鎓([Daim]
+
)、1
‑
烯丙基
‑3‑
乙烯基咪唑鎓([Avim]
+
)、1
‑
乙烯基
‑3‑
乙基咪唑鎓([Veim]
+
)、1
‑
氰基甲基
‑3‑
甲基咪唑鎓([MCNim]
+
)、1,3
‑
二氰基甲基
‑
咪唑鎓([BCNim]
+
)、1
‑
丙基
‑1‑
甲基哌啶鎓([PP
13
]
+
)、1
‑
丁基
‑1‑
甲基哌啶鎓([PP
14
]
+
)、1
‑
甲基
‑1‑
乙基吡咯烷鎓([Pyr
12
]
+
)、1
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：李喆，陆涌，吴美远，刘海晶，
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：