全固态锂电池制造技术

提供了包括固态电池材料并且根据温度调节其内阻的全固态锂电池。所述全固态锂电池可以包括：固态电解质；至少两个极柱，用于在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间的全固态锂电池的温度范围内以一级内部电阻(R1)操作所述全固态锂电池；至少一个高电阻极柱，用于在T1或T2之外的第二级内部电阻(R2)操作所述全固态锂电池；以及开关，当所述全固态锂电池的温度超出T1或T2之外时，激活R2。所述全固态锂电池可以被配置为包括埋入在全固态锂电池的单元内并且电连接到至少一个高电阻极柱的至少一个电阻器片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】全固态锂电池相关专利申请的交叉引用本申请要求2014年12月1日提交的美国临时申请No.62/086,084和62/086,016的权益。
本专利技术涉及可充电电池，更具体地说，涉及由固态电极材料和固态电解质组成的能够从环境温度快速升温至电池最佳工作温度的可充电电池。这种电池具备更高的能量密度、功率密度、安全性和/或热管理特征，并且可用于消费品电子、车辆和电网储能。
技术介绍
全固态锂电池(ASLB)使用固态电解质如固态聚合物、无机锂离子导体或单离子导体，锂金属作为阳极，这些电池比使用液态电解质的锂离子电池表现出更高的能量密度。此外，固态电解质是不易燃的并且阻止锂金属的枝晶生长，从而提供大为改善的安全性。然而，全固态锂电池通常在室温下受电解质的低离子导电率限制。因此，全固态锂电池在室温下产生低功率至无功率输出，需要高温(例如60-80℃)以有效地工作。在某些情况下，全固态锂电池可能必须在更高的温度下运行以提高其动力学和传递性能，以便同时产生高功率和高能量密度，并且便于由电池和环境之间的大温差驱动的散热。美国专利申请公开号US2014/0342194公开了具有多个内电阻的可充电电池。该出版物公开了当电池的内部温度低于最佳温度时，可以将电池配置为在更高的电阻状态操作，从而加热电池并提高电池性能。然而，即使在低环境温度下工作，仍然需要快速有效地提高全固态锂电池的工作温度。此外，优选在电化学界面处升高反应温度以使全固态锂电池产生电力。
技术实现思路
本公开涉及能够快速且有效地提高电池温度的全固态锂电池，例如将温度从环境条件升高到最佳工作温度范围。本专利技术的一个优点是设计为使其内部电阻根据电池温度而变的全固态锂电池。这种机制可能导致在环境温度下运行的ASLB中的内部温度迅速升高。在本公开的某些方面，可变内阻的ASLB包括嵌入常规ASLB的电极-电解质片的堆叠或卷内的一个或多个电阻片，并且具有用于操作电池的三个极柱：正极柱、负极柱和高电阻极柱，例如高电阻负极柱。这些和其它优点至少部分地由全固态锂电池满足，所述全固态锂电池包括：固态电解质；至少两个极柱，例如，至少一个负极柱和至少一个正极柱，用于在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间的全固态锂电池的温度范围内以一级内部电阻(R1)操作所述全固态锂电池；至少一个高电阻极柱，用于在T1或T2之外的第二级内部电阻(R2)操作所述全固态锂电池；以及开关，当所述全固态锂电池的温度超出T1或T2之外时，启动R2。可充电电池可以具有更多的电阻水平，例如与第三温度(T3)或第三温度范围(T3，T4)相关联的第三电阻水平(R3)等等。本公开的实施方案包括其中R2/R1的值在2至500之间并包括两个端点，例如当R2的值在T1以下约2℃下测定且R1在T1测定时，R2/R1的值在2至100或2至50之间并包括两个端点。另外或替代的实施例包括其中R2/R1的值在2至500之间并包括两个端点，例如当R2的值在T2以上约2℃下测定且R1在T2测定时，R2/R1的值在2至100或2至50之间并包括两个端点。在本公开的某些方面，全固态锂电池包括电连接到电池的单元内的至少一个电阻器片的至少一个高电阻极柱。也就是说，电阻器片可以与诸如阳极电极或阴极电极的内部组件相邻或直接接触。例如，全固态锂电池可以包括夹在常规ASLB的电极电解质片的堆叠或卷内的一个或多个电阻器片。在一些实施例中，所述至少一个电阻器片是平坦的，具有大的表面积并与单体电池的部件直接接触。本公开的全固态锂电池可以具有用于操作电池的三个极柱，并且可以具有包括一个或多个电阻器片的多个电化学单元。极柱允许电池在低电阻R1或高电阻R2下运行。三极柱可以包括一个正极和两个负极柱或两个正极柱和一个负极柱中的一个。前一种配置是优选的。两个相同极性的极柱可以通过热敏启动或由温度控制器驱动的开关进一步连接，使得电池在用于在R1操作电池的极柱和用于在R2操作电池的极柱之间切换，这取决于电池温度。这种电池的实施例包括其中至少一个电阻器片被配置为具有至少两个极耳，其中一个极耳电连接到电池中的其它电极接头以形成低电阻极柱，并且至少一个电阻器片的另一个极耳电连接到至少一个高电阻极柱。三极柱配置允许电池在低电阻R1或高电阻R2下操作。两个负极柱可以通过热敏启动或由温度控制器驱动的开关进一步连接，使得电池在用于在R1处于在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间的温度范围内操作电池的极柱和用于在R2处于温度在T1或T2之外时操作电池的极柱之间切换。有利地，这种电池可以在一个温度范围内的一个内阻水平下操作，并且在其它温度或范围内的其他内阻水平下操作。各种内阻之间的差异，例如R1和R2，可以是2到50或更高的因子。内阻突然变化的温度临界值，即T1和T2，分别为40℃和90℃。在不同内阻之间的切换可以在低温下产生快速的内部加热和/或在高温下提高ASLB的安全性。例如，当环境温度低于T1时，电池将工作在其高内阻R2，这可以产生巨大的内部热量，以将电池快速预热至最佳温度，例如6080℃。根据本公开的ASLB中的内部加热是均匀的和有能量效率的。在电池温度达到最佳工作温度即T1和T2之后，电池切换到低电阻R1进行操作，从而表现出高功率和高性能。在极端高温条件下，例如在电池温度上升到超过T2的异常高值的滥用或故障事件，例如内部短路的情况下，电池的内阻可以急剧增加到R2，从而大大抑制短路电流和内发热。低的短路电流和低的内部发热率共同保证了电池在高温下的安全性。本公开的另一方面包括全固态锂电池或系统，其包括布置在多于一个单元的子组中(例如在模组中)的多个电化学存储单元。每个单元子组具有一个或多个电阻器片，并且每个单元子组可以具有一个或多个开关，其可以引导电流通过一个或多个电阻器片以形成高电阻状态，或者可以引导电流绕过一个或多个电阻器片以形成低电阻状态。操作这样的电池或系统允许一个子组由来自其自身的单元的电流和/或来自其它单元子组的电流加热，从而将激活的子组的温度从环境温度快速提高到最佳的工作水平。然后可以通过在最佳温度工作的子组和/或其他单元子组启动其他子组。本公开的另一方面包括一种电池系统，其包括根据前述特征和/或实施例中的任一个的全固态锂电池单独或组合。该系统还可以包括一个控制器，可以在R1操作电池和在R2操作电池之间进行切换。在一些实施例中，系统可以包括用于确定T1和T2的温度的温度传感器。在其他实施例中，该系统包括辅助电池，用于为本公开的ASLB供电，以将ASLB的温度从环境温度升高到最佳工作水平。本专利技术的其他的优点对于本领域技术人员将从以下详细描述中变得显而易见，其中仅通过说明实施本专利技术的最佳方式来示出并描述本专利技术的优选实施例。如将认识到的，本专利技术能够具有其他和不同的实施例，并且在不脱离本专利技术的情况下，能够在各种明显方面修改其几个细节。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。附图说明参考附图，其中具有相同附图标记的元件总体上表示相似的元件，其中：图1A是示出具有嵌入在电极-固态电解质组件的堆叠内的电阻器片和所产生的三个极柱的ASLB的结构的示意图。阴极极耳可焊接在一起以形成一个正极柱(+)；阳极极耳可以与电阻器片的两个极耳中的一个焊接在一起以形成一个低电阻负极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全固态锂电池，包括：固态电解质；至少两个极柱，用于在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间的全固态锂电池的温度范围内以一级内部电阻(R1)操作所述全固态锂电池；至少一个高电阻极柱，用于在T1或T2之外的第二级内部电阻(R2)操作所述全固态锂电池；以及开关，当所述全固态锂电池的温度超出T1或T2之外时，可激活R2。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.01 US 62/086,084;2014.12.01 US 62/086,0161.一种全固态锂电池，包括：固态电解质；至少两个极柱，用于在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间的全固态锂电池的温度范围内以一级内部电阻(R1)操作所述全固态锂电池；至少一个高电阻极柱，用于在T1或T2之外的第二级内部电阻(R2)操作所述全固态锂电池；以及开关，当所述全固态锂电池的温度超出T1或T2之外时，可激活R2。2.根据权利要求1所述的全固态锂电池，其中，T1为包括端点的20℃至60℃之间的值，并且T2为包括端点的80℃至120℃之间的值。3.根据权利要求1所述的全固态锂电池，其中至少一个高电阻极柱极耳电连接到所述嵌入电池单元内的电阻器片上。4.根据权利要求1至3所述的全固态锂电池，其中，所述至少一个电阻器片由石墨、高度有序的热解石墨(HOPG)、不锈钢、镍、铬、镍铬合金、铜、铝、钛或其组合。5.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中所述至少一个电阻器片具有1微米至150微米的厚度。6.根据权利要求3所述的全固态锂电池，所述全固态锂电池包括电极和所述固态电解质的叠层，其中所述至少一个电阻器片被夹在所述叠层内。7.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中所述至少一个电阻器片被配置为具有至少两个极耳，其中一个极耳电连接到所述至少两个极柱中的一个，用于在R1处操作所述全固态锂电池，而另一个极耳电连接到所述至少一个高电阻极柱。8.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中所述至少一个电阻器片具有等于0.1至5的数值除以所述全固态锂电池的容量(安-时(Ah))的以欧姆为单位的电阻。9.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中所述至少一个电阻器片是平面的，具有大的表面积并且与所述全固态锂电池的单元中的部件直接接触。10.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中所述至少一个高电阻极柱是附加的负极柱。11.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中所述至少一个高电阻极柱是附加的正极柱。12.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中，所述开关由温度控制器驱动并且被配置为在用于在R1操作所述全固态锂电池的极柱和用于在R2操作所述全固态锂电池的极柱之间切换。13.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中，所述开关是自激活的，用于在R1操作所述全固态锂电池的极柱和用于在R2操作所述全固态锂电池的极柱之间切换。14.根据权利要求13所述的全固态锂电池，其中，所述自激活开关是从以下各项中选择的开关：在T1或T2或两者经历相变和相当大的体积变化的相变材料、双金属开关或其体积在温度T1或T2或两者都膨胀的固态材料。15.根据权利要求3所述的全固态锂电池，其中，所述开关由机电继电器和温度控制器，或具有温度传感器的固态继电器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝阳，纪岩，许天韧，
申请(专利权)人：美国电化学动力公司，
类型：发明
国别省市：美国,US