【技术实现步骤摘要】
1.专利
本专利技术涉及电化学装置，如锂离子电池电极、锂离子导电固态电解质以及包括这些电极和固态电解质的固态锂离子电池(battery)。该专利技术还涉及制造这类电化学装置的方法。更具体地，本专利技术涉及能够使固态电池具有柔性并且能够实现卷曲或折叠的堆叠结构的分段式电池单元(cell)架构。2.相关领域描述锂离子(li-ion)电池技术已取得显著进步，预计到2019年市场规模将达到105亿美元。当前最先进技术的锂离子电池包括两个电极(阳极和阴极)，避免电极接触但是允许li+离子通行的分隔物材料，以及电解质(其是具有锂盐的有机液体)。在充电和放电期间，li+离子在电极之间交换。最先进技术的锂离子技术目前被用于小批量生产的插电式混合动力车和小众高性能车辆；然而，电动动力系统的广泛采用要求成本降低25％，性能提高4倍以上和无起火可能的更安全的电池。因此，未来的能量存储需要更安全、更便宜和更高性能的能量存储方式。一种策略是开发固态电池，其中液体电解质被替换为对li+离子具有传导性并且可以提供3-4倍能量密度的固体材料，同时将电池组的成本降低约20％。尽管有这些吸引人的特点，但是尚未见到供于批量规模应用(如电动汽车)的固态电池的制造和测试。与固态电池相关的主要挑战是开发用于薄陶瓷层以及将这些层组装成新型电池单元架构的新制造技术。无论可以通过何种方式形成固态电池的每一层，这些层必须以某一架构被组装。目前基于液体的技术把电池的各部分(阳极、分隔物和阴极)层叠成堆叠物，然后卷曲或折叠该堆叠物。这类卷曲或折叠的堆叠架构要求各层是柔性的并且能够显著弯曲。因为用于典型
技术介绍
0、专利技术背景
技术实现思路
0、专利技术概述
1、本公开报道了分段式电池单元架构，其能够使固态电池具有柔性并且能够实现卷曲或折叠的堆叠结构。本公开也提供了形成用于固态电池的分段式电池单元架构的方法。
2、在一方面，本专利技术提供了电化学装置，其包括负极、正极和位于负极和正极之间的固态电解质。负极或正极之一或两者可以包括嵌入结构基质内的区段的阵列(array ofsegments)。阴极或正极的区段可以包括锂主体材料。结构基质可以包括柔性材料。结构基质可以包括聚合材料。聚合材料可以选自聚烯烃、聚苯乙烯、二乙烯基苯和苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。结构基质可以包括聚丙烯或聚乙烯。在电化学装置中，阳极可以包括嵌入结构基质内的区段的阵列，并且锂主体材料可以选自石墨、锂金属、锂钛氧化物、硬碳、锡/钴合金或硅/碳。在电化学装置中，阴极可以包括嵌入结构基质内的区段的阵列，并且锂主体材料选自锂金属氧化物，其中所述金属是一种或多种铝、钴、铁、锰、镍和钒，以及具有通式limpo4的含锂磷酸盐，其中m是钴、铁、锰和镍中的一种或多种。锂主体材料可以选自锂锰镍氧化物。锂主体材料可以选自锂钛氧化物。
3、在一方面，本专利技术提供了电化学装置，其包括负极、正极和位于负极和正极之间的固态电解质，其中固态电解质包括区段的阵列。固态电解质的区段可以包括固态电解质材料，并且可以嵌入结构基质内。结构基质可以包括柔性材料。结构基质可以包括聚合材料。聚合材料可以选自聚烯烃、聚苯乙烯、二乙烯基苯和苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。结构基质可以包括聚丙烯或聚乙烯。在电化学装置中，固体电解质材料可以是具有石榴石、钙钛矿、nasicon或lisicon相的磷酸盐或氧化物材料的任何组合。该石榴石相可以具有式liurevmwaxoy，其中，re可以是具有+3的名义价态(nominal valance)的元素的任何组合，所述元素包括la、nd、pr、pm、sm、sc、eu、gd、tb、dy、y、ho、er、tm、yb和lu；m可以是具有+3、+4、+5或+6的名义价态的金属的任何组合，所述金属包括zr、ta、nb、sb、w、hf、sn、ti、v、bi、ge和si；a可以是具有+1、+2、+3或+4的名义价态的掺杂物原子的任何组合，所述掺杂物原子包括h、na、k、rb、cs、ba、sr、ca、mg、fe、co、ni、cu、zn、ga、al、b和mn；u可以在3-7.5变化；v可以在0-3变化；w可以在0-2变化；并且y可以在11-12.5变化。石榴石可以是具有式li6.25la3zr2al0.25o12(llzo)的锂镧锆氧化物，其是展现出针对金属锂具有高化学稳定性和高离子导电性(4x 10-4s/cm，室温)之组合的陶瓷氧化物。
4、另一方面，本专利技术提供了形成分段式电极的方法。该方法可包括以下步骤：(a)形成包括间隔开的区段的阵列；以及(b)在区段之间沉积柔性材料，其中所述区段包括锂主体材料。步骤(a)可以包括在表面上浇铸浆料以形成包括间隔开的区段的阵列，并且烧结所述区段。各区段可以具有10-100微米范围的厚度。步骤(a)可以包括在600℃～1100℃范围的温度烧结该层。在该方法中，锂主体材料选自石墨、锂金属、锂钛氧化物、硬碳、锡/钴合金或硅/碳。锂主体材料可以选自锂金属氧化物，其中所述金属是一种或多种铝、钴、铁、锰、镍和钒，以及具有通式limpo4的含锂磷酸盐，其中m是钴、铁、锰和镍中的一种或多种。锂主体材料可以选自锂锰镍氧化物。锂主体材料可以选自锂钛氧化物。
5、另一方面，本专利技术提供了形成分段式固态电解质阵列的方法。该方法包括以下步骤：(a)形成包括间隔开的区段的阵列；以及(b)在区段之间沉积柔性材料，其中所述区段包括固体电解质材料。步骤(a)可以包括在表面上浇铸浆料以形成包括间隔开的区段的阵列并烧结所述区段以形成固态电解质材料，其中所述浆料包括固体电解质材料前体。在该方法中，各区段可以具有10-100微米范围的厚度。浆料可以包括40重量％-60重量％的固体电解质材料，其中所述固体电解质材料包括具有式li6.25la3zr2al0.25o12的锂镧锆氧化物，0.1重量％-2重量％的分散剂，1重量％-5重量％的粘合剂，1重量％-5重量％的塑化剂，和20重量％-45重量％的溶剂，其中所有重量百分比是总浆料的重量百分比。步骤(a)可以包括在600℃～1100℃范围的温度烧结该层。
6、另一方面，本专利技术提供了形成电化学装置的方法。该方法包括以下步骤：(a)形成包括间隔开的区段的第一阵列层，其中所述区段包括第一锂主体材料；(b)在第一阵列层上形成第二阵列层，其中该第二层包括固体电解质材料；(c)在第二阵列层上形成第三阵列层，其中该第三层包括第二锂主体材料；和(d)在区段之间沉积柔性材料以形成电化学装置。在该方法中，步骤(a)可包括在表面上浇铸第一浆料以形成包括间隔开的区段的第一阵列层，其中所述第一浆料包括第一锂主体材料；步骤(b)可包括在第一阵列层上浇铸第二浆料以形成第二阵列层，其中所述第二浆料包括固体电解质材料；步骤(c)可包括在第二阵列层上浇铸第三浆料以形成第三阵列层，其中所述第三浆料包括第二锂本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电化学装置，其包括：
2.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，各结构基质包括柔性材料。
3.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，各结构基质包括聚合材料。
4.如权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，所述聚合材料选自聚烯烃、聚苯乙烯、二乙烯基苯和苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。
5.如权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，所述聚合材料选自聚丙烯和聚乙烯。
6.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于：
7.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于：
8.如权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述锂主体材料选自锂锰镍氧化物。
9.如权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述锂主体材料选自锂钛氧化物。
10.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含选自下组的材料：具有石榴石相的氧化物材料。
11.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含锂镧锆氧化物。
12.如权利要求1
13.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含具有式LiuRevMwAxOy的材料，其中：
14.一种形成电化学装置的方法，所述方法包括：
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第一、第二和第三层各自具有10-100微米范围的厚度。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述单位电池单元包括集电器。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述集电器是柔性的。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，各结构基质包含聚合材料。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述聚合材料选自聚烯烃、聚苯乙烯、二乙烯基苯和苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述聚合材料选自聚丙烯和聚乙烯。
21.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
22.如权利要求14所述的方法，其还包括将单位电池单元堆叠在类似的单位电池单元顶上，从而形成双极堆叠式电池。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含选自下组的材料：具有石榴石相的氧化物材料。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含锂镧锆氧化物。
25.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含Li6.25La3Zr2Al0.25O12。
26.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含具有式LiuRevMwAxOy的材料，其中，
...【技术特征摘要】
1.一种电化学装置，其包括：
2.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，各结构基质包括柔性材料。
3.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，各结构基质包括聚合材料。
4.如权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，所述聚合材料选自聚烯烃、聚苯乙烯、二乙烯基苯和苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。
5.如权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，所述聚合材料选自聚丙烯和聚乙烯。
6.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于：
7.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于：
8.如权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述锂主体材料选自锂锰镍氧化物。
9.如权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述锂主体材料选自锂钛氧化物。
10.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含选自下组的材料：具有石榴石相的氧化物材料。
11.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含锂镧锆氧化物。
12.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含具有式li6.25la3zr2al0.25o12的材料。
13.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述固态电解质的区段的阵列包含具有式liurevmwaxoy的材料，其中：
14.一种形成电化学装...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·萨卡莫塔，T·汤普森，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：
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