带有上面具有离子和电子混合导电层的活性物质颗粒的电极制造技术

本公开提供了“带有上面具有离子和电子混合导电层的活性物质颗粒的电极”。一种固态电池包括：阳极；阴极；以及固体电解质，所述固体电解质位于所述阳极与所述阴极之间。所述阳极或所述阴极包括结合的活性物质颗粒且不包括固体电解质颗粒，所述结合的活性物质颗粒在其上具有离子和电子混合导电共形界面层，所述离子和电子混合导电共形界面层在所述固态电池运行期间提供用于离子和电子的传输路径。

【技术实现步骤摘要】
带有上面具有离子和电子混合导电层的活性物质颗粒的电极
本公开涉及用于固态电池的结构和制造技术，所述固态电池诸如锂基、镁基、钾基、钠基以及锌基固态电池。
技术介绍
内燃发动机已成为现代社会中最常见的运输推进系统。由于发动机中的燃烧过程导致温室气体的排放，因此人们越来越关注因集中在大都市地区的越来越多的车辆所致的空气污染和全球变暖。在这方面，汽车制造商致力于通过在车辆中实施储能系统来实现车辆电气化，所述储能系统可根据电动车辆(electricvehicle，EV)的类型显著地减少或甚至消除排放。在各种储能系统中，可再充电锂离子电池(lithium-ionbattery，LIB)由于其高能量密度以及合理的循环寿命和成本而被用于EV应用。除运输业外，LIB在其他工业领域(诸如小型电子器件和电网储能)中已被广泛使用或被认真考虑作为储能装置，这导致LIB的商业化生产快速增长并在过去十年中降低了成本。尽管LIB有这些前景可观的方面，但仍然存在主要源自LIB技术的基本局限性的若干挑战。首先，需要增大LIB的能量密度以满足EV的实际需求，尽管它仍然提供优于其他储能技术的大能量密度。当前的商用电池电动车辆(BEV或纯电动车辆)每次充电可提供100英里至200英里范围内的行进距离，这比通过单个气罐提供近似超过400英里的传统车辆(来自仅内燃发动机的推进)的行进距离短。其次，LIB中的液体电解质由于其有机溶剂而在滥用条件下会经历热问题。
技术实现思路
一种固态电池包括：阳极；阴极；以及固体电解质，所述固体电解质位于所述阳极与所述阴极之间。所述阳极或所述阴极包括与活性物质颗粒结合的固体电解质颗粒，所述活性物质颗粒在其上包括离子和电子混合导电共形界面层，所述离子和电子混合导电共形界面层是由所述固体电解质颗粒或所述活性物质颗粒内的掺杂剂朝向所述活性物质颗粒的表面的扩散以及所述掺杂剂与所述固体电解质颗粒的反应而产生的。所述固体电解质颗粒可与所述活性物质颗粒一起烧结。所述离子和电子混合导电共形界面层可被配置为在所述固态电池运行期间提供用于离子和电子的传输路径。所述固体电解质颗粒可以是氧化物、聚合物或硫化物。所述活性物质颗粒可以是嵌入活性物质颗粒或转换活性物质颗粒。一种固态电池包括：阳极；阴极；以及固体电解质，所述固体电解质位于所述阳极与所述阴极之间。所述阳极或所述阴极包括结合的活性物质颗粒且不包括固体电解质颗粒，所述结合的活性物质颗粒在其上具有离子和电子混合导电共形界面层，所述离子和电子混合导电共形界面层被配置为在所述固态电池运行期间提供用于离子和电子的传输路径。所述结合的活性物质颗粒可被烧结。所述活性物质颗粒可以是嵌入活性物质颗粒或转换活性物质颗粒。所述离子和电子混合导电共形界面层是由金属氧化物、金属磷酸盐、金属硅酸盐或金属硫化物的层在结合期间与所述活性物质颗粒反应而产生的。所述层可被锂化。所述活性物质颗粒可包含掺杂剂。一种制造固态电池的方法包括：用金属氧化物、金属磷酸盐、金属硅酸盐或金属硫化物的层涂覆活性物质颗粒以形成涂覆的活性物质颗粒；使所述涂覆的活性物质颗粒烧结，使得所述层与所述活性物质颗粒反应，从而在所述活性物质颗粒上形成离子和电子混合导电共形界面层以形成电极；以及将所述电极布置成与固体电解质接触。所述层可经由溶胶凝胶或气相沉积来施加。所述层可被锂化。所述活性物质颗粒可以是嵌入活性物质颗粒或转换活性物质颗粒。所述固态电池可以是锂离子固态电池或钠离子固态电池。附图说明图1A是固态电池的示意图。图1B是图1A的固态电池的固体电解质的示意图。图2和图3是固体电解质的示意图。具体实施方式本文中描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本专利技术的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可与在一个或多个其他附图中所示出的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。最近，全固态LIB由于其引人注目的优点而已被强调为下一代电池技术。全固态电池包括代替液体电解质的固体电解质和隔板。由于全固态电池不涉及液体，因此它完全不存在热失控问题。此外，全固态电池可提供更简单的系统设计和通用外形要素，它们将改进工程可制造性。全固态电池允许在电池单元中采用金属阳极，这将显著增大能量密度。在组规模上，可通过简化电池组设计来缩小全固态电池的尺寸。例如，与常规LIB相比，某些全固态电池可能够具有更薄的外壳，从而允许具有简单的电池组设计。然而，由于若干技术挑战，因此全固态LIB的商业化已被推迟。一个主要障碍是由电极与固体电解质材料之间的固-固接触不良而引起的。在常规LIB中，因为液体电解质保持良好的固-液接触，所以不认为是问题。相反，在全固态LIB中，难以在电极-电解质界面处进行良好的固-固接触。缺乏提供这种良好界面导致电池单元阻抗增大以及随后的电池单元问题。为了解决该问题，使陶瓷全固态LIB电池单元的电极-电解质组分在升高温度下烧结以使颗粒生长并使颗粒的接触面积增大。参考图1A，固态电池10包括阳极12和相关联的集流体13、阴极14和相关联的集流体15、以及固体电解质16。并且参考图1B，固体电解质16包括活性物质颗粒18和固体电解质颗粒20。基于金属氧化物的电解质需要高温(大致超过600℃)以用于烧结过程。然而，升高温度下的烧结过程导致另一个问题。电极和电解质材料可在高温下相互反应(所谓的副反应)，并在电极-电解质界面处形成副产物22。大多数副产物是电化学绝缘体，所述电化学绝缘体阻碍电池运行期间电荷载流子的传输，这导致电池单元的高电阻。此外，作为全固态LIB的一种典型方法，将阴极制成活性物质、固体电解质和电子导体的复合体(以下称为“复合电极”)。但是，在此类复合阴极中并入固体电解质(约30重量％至50重量％)导致电池的能量密度相应减小。为了解决这些问题，专利技术人试图通过适当设计并控制复合电极中的电极和电解质界面来提高电池能量密度并降低成本。在此，专利技术人提出了两种不同的复合电极设计，所述两种不同的复合电极设计可减小界面电阻，同时提高能量密度。在第一种配置中，复合电极经定制以在活性物质与固体电解质材料之间形成Li离子和电子混合导电(mixedLiionicandelectronicconducting，MIEC)界面层。MIEC层将不仅使界面稳定，而且还促进颗粒之间的Li离子和电子转移。此外，MIEC将减少复合体中所存在的电子组分和固体电解质的量，从而导致能量密度增大。为了制造该设计，活性物质/固体电解质或两者掺杂有合适的掺杂剂。所述掺杂剂将基于MIEC的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电池，其包括：/n阳极；/n阴极；以及/n固体电解质，所述固体电解质位于所述阳极与所述阴极之间，所述阳极或所述阴极包括与活性物质颗粒结合的固体电解质颗粒，所述活性物质颗粒在其上包括离子和电子混合导电共形界面层，所述离子和电子混合导电共形界面层是由所述固体电解质颗粒或所述活性物质颗粒内的掺杂剂朝向所述活性物质颗粒的表面的扩散以及所述掺杂剂与所述固体电解质颗粒的反应而产生的。/n

【技术特征摘要】
20190201 US 16/265,3121.一种固态电池，其包括：
阳极；
阴极；以及
固体电解质，所述固体电解质位于所述阳极与所述阴极之间，所述阳极或所述阴极包括与活性物质颗粒结合的固体电解质颗粒，所述活性物质颗粒在其上包括离子和电子混合导电共形界面层，所述离子和电子混合导电共形界面层是由所述固体电解质颗粒或所述活性物质颗粒内的掺杂剂朝向所述活性物质颗粒的表面的扩散以及所述掺杂剂与所述固体电解质颗粒的反应而产生的。


2.如权利要求1所述的固态电池，其中所述固体电解质颗粒与所述活性物质颗粒一起烧结。


3.如权利要求1所述的固态电池，其中所述离子和电子混合导电共形界面层被配置为在所述固态电池运行期间提供用于离子和电子的传输路径。


4.如权利要求1所述的固态电池，其中所述固体电解质颗粒是氧化物、聚合物或硫化物。


5.如权利要求1所述的固态电池，其中所述活性物质颗粒为嵌入活性物质颗粒或转换活性物质颗粒。


6.一种固态电池，其包括：
阳极；
阴极；以及
固体电解质，所述固体电解质位于所述阳极与所述阴极之间，所述阳极或所述阴极包括结合的活性物质颗粒且不包括固体电解质颗粒，所述结合的活性物质颗粒在其上具有离子和电子混合导电共形界面层，所述离子和电子混合导电共形...

【专利技术属性】
技术研发人员：文卡塔拉马尼·阿南丹，余赞烨，金镕现，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US