用于全固态电池组的硫化物浸渍的柱状硅阳极及其形成方法技术

本申请涉及用于全固态电池组的硫化物浸渍的柱状硅阳极及其形成方法

【技术实现步骤摘要】
用于全固态电池组的硫化物浸渍的柱状硅阳极及其形成方法


[0001]本公开涉及固态电池组
(batteries)
，并且更具体地涉及用于全固态电池组中的包含柱状硅
(columnar silicon)
和硫化物电解质的负电极，以及涉及形成和使用所述负电极的方法
。

技术介绍

[0002]本部分提供了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，可用于各种产品中，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
("
μ
BAS")、
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
。
所述两个电极中的一个可以用作正电极或阴极，且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运行
。
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
。
所述电解质适于在电极之间传导锂离子，并且与两个电极一样，可以为固体形式
、
液体形式或固
‑
液混杂形式
。
在固态电池组的情况中，其包括设置在固态电极之间的固态电解质层，所述固态电解质物理地分离固态电极，使得不需要单独的隔离件
。
[0004]固态电池组具有优于包括隔离件和液体电解质的电池组的优点
。
这些优点可包括具有较低自放电的较长保存期
、
较简单的热管理
、
对包装的减少的需求
、
以及在较宽温度窗内运行的能力
。
例如，固态电解质通常是非挥发性的和不可燃的，从而允许电池在更严苛的条件下循环而不经历在使用液体电解质时可能潜在发生的电位降低或热失控
。
然而，固态电池组通常经历相对低的功率能力
(power capabilities)。
低功率能力可能是由固态电活性颗粒和
/
或固态电解质颗粒之间的有限接触或空隙空间引起的固态电极内的界面电阻的结果
。
因此，期望开发改善功率能力和能量密度的高性能固态电池组设计
、
材料和方法
。

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，并且更具体地，涉及用于全固态电池组中的包含柱状硅和硫化物电解质的负电极，以及涉及形成和使用所述负电极的方法
。
[0007]在各个方面中，本公开提供了一种用于全固态电化学电池的电极
。
所述电极可以包含限定电活性材料层的多个分层硅柱
(hierarchical silicon columns)
，所述电活性材料层具有由所述多个分层硅柱之间的空缺
(openings)
限定的空置空间
(vacant space)
；和原位形成的固体硫化物电解质，其填充所述电活性材料层中的所述空置空间的大于或等于约
60
体积
%
至小于或等于约
100
体积
%。
[0008]在一个方面中，所述分层硅柱中的每一个可以具有大致椭圆形
(oval)
形状，其中第一半径大于第二半径
。
所述第一半径可以为大于或等于约
0.5
微米至小于或等于约
40
微
米
。
所述第二半径可以为大于或等于约
0.5
微米至小于或等于约
40
微米
。
所述分层硅柱中的每一个可以具有大于或等于约
0.5 mAh/cm2至小于或等于约
20 mAh/cm2的面积容量
(areal capacity)。
[0009]在一个方面中，所述第一半径可以是约
3.5
微米，并且所述第二半径可以是约3微米
。
[0010]在一个方面中，所述电活性材料层可以包含大于或等于约或精确地
70
重量
%
至小于或等于约或精确地
100
重量
%
的所述多个分层硅柱，和大于5重量
%
至小于或等于约或精确地
30
重量
%
的所述固体硫化物电解质
。
[0011]在一个方面中，所述电活性材料层可以进一步包含涂覆在分层硅柱上或分散在分层硅柱之间的固态石墨颗粒，其中所述空置空间被限定为所述电活性材料层中未被所述多个分层硅柱和所述固态石墨颗粒占据的任何空缺
。
[0012]在一个方面中，所述电活性材料层可以包含大于0重量
%
至小于或等于约
70
重量
%
的所述固态石墨颗粒
。
所述固态石墨颗粒可具有大于或等于约
0.05
微米至小于或等于约
20
微米的平均粒度
。
[0013]在一个方面中，所述电极还可以包括具有粗糙化表面的集流体，所述粗糙化表面设置在所述电活性材料层上或与所述电活性材料层相邻设置
。
每个分层硅柱的最长尺寸可以垂直于所述集流体的长轴
(major axis)。
[0014]在一个方面中，所述粗糙化表面可以具有大于1微米至小于或等于约
12
微米的
Rz。
[0015]在各个方面中，本公开提供了一种循环锂离子的全固态电化学电池
。
所述电化学电池可包括第一电极和第二电极
。
所述第一电极可以包含第一集流体和设置在第一集流体上或与第一集流体相邻设置的第一电活性材料层
。
所述第二电极可以包含限定长轴的第二集流体和设置在第二集流体上或与第二集流体相邻设置的第二电活性材料层
。
所述第二电活性材料层可以包含多个分层硅柱和固体硫化物电解质
。
所述固体硫化物电解质可原位形成并且可填充所述第二电活性材料层中的空隙的大于或等于约
60
体积
%
至小于或等于约
100
体积
%。
所述空隙由所述分层硅柱之间的空缺限定
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于全固态电化学电池的电极，所述电极包含：限定电活性材料层的多个分层硅柱，所述电活性材料层具有由所述多个分层硅柱之间的空缺限定的空置空间；和原位形成的固体硫化物电解质，其填充所述电活性材料层中的所述空置空间的大于或等于约
60
体积
%
至小于或等于约
100
体积
%。2.
根据权利要求1所述的电极，其中所述分层硅柱中的每一个具有大致椭圆形形状，其中第一半径大于第二半径，所述第一半径为大于或等于约
0.5
微米至小于或等于约
40
微米，并且所述第二半径为大于或等于约
0.5
微米至小于或等于约
40
微米
。3.
根据权利要求2所述的电极，其中所述第一半径为约
3.5
微米，且所述第二半径为约3微米
。4.
根据权利要求1所述的电极，其中所述分层硅柱中的每一个具有大于或等于约
0.5 mAh/cm2至小于或等于约
20 mAh/cm2的面积容量
。5.
根据权利要求1所述的电极，其中所述电活性材料层包含：大于或等于约或精确地
70 重量
%
至小于或等于约或精确地
100...

【专利技术属性】
技术研发人员：李喆，肖兴成，陆涌，刘海晶，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：