具有电容器辅助夹层的固态电池制造技术

本发明专利技术公开了一种具有电容器夹层的固态电池单元。固态电池包括阳极、与阳极隔开的阴极、设置在阳极和阴极之间的固态电解质层以及夹在(i)阳极和固态电解质层以及(ii)阴极和固态电解质层的至少一者之间的电容器辅助夹层。电容器辅助夹层包括聚合物基材料、无机材料和聚合物-无机杂化材料中的至少一者；和电容器阳极活性材料或电容器阴极活性材料。聚合物基材料包括具有Al2O3和LiTFSI的聚(乙二醇)甲基醚丙烯酸酯、具有LiTFSI的聚环氧乙烷(PEO)和具有六氟丙烯(PVDF-HFP)基凝胶电解质的聚(偏二氟乙烯)共聚物中的至少一者。无机材料包括70％Li2S-29％P2S

【技术实现步骤摘要】
具有电容器辅助夹层的固态电池


[0001]本公开涉及可再充电固态电池，并且更具体地，涉及具有电容器辅助夹层的固态电池。

技术介绍

[0002]众所周知，可再充电电池用于从小型电子装置(诸如手机)到较大型电子装置(诸如笔记本电脑)的消费电子应用中。与诸如镍氢电池、镍镉电池或铅酸电池的较老类型的可再充电电池相比，现代可再充电电池(诸如可再充电锂离子电池)具有保持相对高的能量密度的能力。可再充电锂离子电池的益处是，电池可以在多次循环中完全或部分充电和放电，而不会保留充电记忆。另外，可再充电锂离子电池可用于较大应用中(诸如用于电动车辆和混合动力车辆)，这是由于电池的高功率密度、长循环寿命和形成为各种形状和大小以便有效地填充此类车辆中的可用空间的能力。
[0003]现代可再充电锂离子电池通常利用有机液体电解质在阴极活性材料和阳极活性材料之间携带或传导锂阳离子(Li+)。为了进一步增强电池性能，在更现代的电池中，有机液体电解质被固态电解质(SSE)取代。固态电解质可以拓宽可再充电锂离子电池的工作温度范围并提高可再充电锂离子电池的能量密度。已知具有固态电解质的可再充电锂离子电池被称为可再充电固态锂电池。
[0004]可再充电固态锂电池通常包括正电极层、负电极层、设置在正电极层和负电极层之间的固态电解质层。然而，如果固态电解质层与电极层之间的接触不良，则其将抑制锂离子传输、增加界面电阻，并且在循环期间扩大极化。因此，虽然可再充电固态锂电池实现了其用于电动车辆和混合动力车辆的预期目的，但是仍然需要持续改进以在电极层和固态电解质层之间实现有利的界面接触，从而提高这些类型的电池的电化学性能。

技术实现思路

[0005]根据若干方面，本申请公开了一种固态电池单元。该固态电池单元包括：阳极；阴极，与阳极隔开；固态电解质层，设置在阳极和阴极之间；以及电容器辅助夹层，夹在(i)阳极和固态电解质层以及(ii)阴极和固态电解质层中的至少一者之间。
[0006]在本公开的另一方面中，固态电池单元还包括夹在阴极和固态电解质层之间的分隔夹层。电容器辅助夹层夹在阳极和固态电解质层之间，并且与阳极和固态电解质层两者紧密接触。
[0007]在本公开的另一方面中，固态电池单元还包括夹在阳极和固态电解质层之间的分隔夹层。电容器辅助夹层夹在阴极和固态电解质层之间，并且与阴极和固态电解质层两者紧密接触。
[0008]在本公开的另一方面中，电容器辅助夹层包括：第一电容器辅助夹层，夹在阳极和固态电解质层之间并与阳极和固态电解质层紧密接触，以及第二电容器辅助夹层，夹在阴极和固态电解质层之间并与阴极和固态电解质层紧密接触。
[0009]在本公开的另一方面中，第一电容器辅助夹层包括电容器阳极活性材料，该电容器阳极活性材料包括活性炭、软碳、硬碳、金属氧化物和金属硫化物中的至少一者。第二电容器辅助夹层包括电容器阴极活性材料，该电容器阴极活性材料包括活性炭、石墨烯、碳纳米管(CNT)和导电聚合物中的至少一者。
[0010]在本公开的另一方面中，电容器辅助夹层包括聚合物基材料，该聚合物基材料包括以下中的至少一者：与Al2O3和LiTFSI混合的聚(乙二醇)甲基醚丙烯酸酯；与LiTFSI混合的聚环氧乙烷(PEO)；和具有六氟丙烯(PVDF-HFP)基凝胶电解质的聚(偏二氟乙烯)共聚物。
[0011]在本公开的另一方面中，电容器辅助夹层包括无机材料，该无机材料包括以摩尔％计的70％Li2S-29％P2S
5-1％P2O5中的至少一者，以及聚合物-无机杂化材料，该聚合物-无机杂化材料包括以mol％计的PEO+LiTFSI+75％Li2S-24％P2S
5-1％P2O5(LPOS)。
[0012]在本公开的另一方面中，电容器辅助夹层包括Nb、Al、Si和Al2O3中的至少一者。
[0013]在本公开的另一方面中，分隔夹层不含电容器活性材料。
[0014]在本公开的另一方面中，固态电池单元还包括液体电解质，该液体电解质包括以下中的至少一者：包括Li(三甘醇二甲醚)双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(Li(G3)TFSI)的离子液体、包括EC/DEC中的LiPF6的碳酸盐基电解质、和包括乙腈TFSI中的LiTFSI的浓缩电解质。
[0015]根据若干方面，本申请公开了一种可再充电固态锂离子电池单元。该可再充电固态锂离子电池单元包括：阴极，具有能够存储锂的锂基活性材料；阳极，包含能够相对于阴极以较低的电化学电势存储锂的锂主体材料；固态电解质层，设置在阳极和阴极之间；以及第一电容器辅助夹层，夹在阳极和固态电解质层之间并且与阳极和固态电解质层紧密接触。
[0016]在本公开的另一方面中，第一电容器辅助夹层还包括电容器阳极活性材料，该电容器阳极活性材料包括活性炭、软碳、硬碳、金属氧化物和金属硫化物中的至少一者。
[0017]在本公开的另一方面中，可再充电固态锂离子电池单元还包括第二电容器辅助夹层，该第二电容器辅助夹层夹在阴极和固态电解质层之间并且与阴极和固态电解质层接触。
[0018]在本公开的另一方面中，第二电容器辅助夹层包括电容器阴极活性材料，该电容器阴极活性材料包括活性炭、石墨烯、碳纳米管(CNT)、多孔碳材料和导电聚合物(诸如聚(3，4-亚乙基二氧噻吩))中的至少一者。
[0019]在本公开的另一方面中，第一电容器辅助夹层和第二电容器辅助夹层中的至少一者包括具有LiTFSI的聚环氧乙烷(PEO)。
[0020]在本公开的另一方面中，第一电容器辅助夹层和第二电容器辅助夹层中的至少一者包括包含PEO、LiTFSI和以摩尔％计的75％Li2S-24％P2S
5-1％P2O5(LPOS)的混合物。
[0021]在本公开的另一方面中，可再充电固态锂离子电池单元还包括渗透固态电解质层、电容器辅助夹层、阳极和阴极的液体电解质。
[0022]根据若干方面，一种可再充电固态锂离子电池包括多个电池单元。电池单元中的至少一个包括：阴极，包括能够存储锂的锂基活性材料；阳极，包含能够相对于阴极以较低的电化学电势存储锂的锂主体材料；固态电解质层，设置在阳极和阴极之间；电容器辅助夹层，夹在阳极和固态电解质层之间。电容器辅助夹层与阳极和固态电解质层紧密接触。电容器辅助夹层包括电容器阳极活性材料，该电容器阳极活性材料包括活性炭、软碳、硬碳、金
属氧化物和金属硫化物中的至少一者，并且厚度在约20纳米和约200微米之间。电容器辅助夹层还包括具有LiTFSI的聚环氧乙烷(PEO)。
[0023]根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应理解的是，该描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0024]本文描述的附图仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
[0025]图1是根据示例性实施方案的具有电容器辅助夹层的可再充电固态锂电池单元结构的示意图；
[0026]图2是电容器辅助夹层的示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态电池单元，包括：阳极；阴极，与所述阳极隔开；固态电解质层，设置在所述阳极和所述阴极之间；以及电容器辅助夹层，夹在(i)所述阳极和固态电解质层以及(ii)所述阴极和固态电解质层中的至少一者之间。2.根据权利要求1所述的固态电池单元，还包括：分隔夹层，夹在所述阴极和所述固态电解质层之间；其中所述电容器辅助夹层夹在所述阳极和所述固态电解质层之间，并且所述电容器辅助夹层与所述阳极和所述固态电解质层两者紧密接触。3.根据权利要求1所述的固态电池单元，还包括：分隔夹层，夹在所述阳极和所述固态电解质层之间；其中所述电容器辅助夹层夹在所述阴极和所述固态电解质层之间，并且所述电容器辅助夹层与所述阴极和所述固态电解质层两者紧密接触。4.根据权利要求1所述的固态电池单元，其中所述电容器辅助夹层包括：第一电容器辅助夹层，夹在所述阳极和所述固态电解质层之间并且与所述阳极和所述固态电解质层紧密接触；以及第二电容器辅助夹层，夹在所述阴极和所述固态电解质层之间并且与所述阴极和所述固态电解质层紧密接触。5.根据权利要求4所述的固态电池单元，其中：所述第一电容器辅助夹层包括电容器阳极活性材料，所述电容器阳极活性材料包括活性炭、软碳、硬碳、金属氧化物和金属硫化物中的至少一者；以及所述第二电容器辅助夹层包括电容器阴极活性材料，所述电容器阴极活性材料包括活性炭、石墨烯、碳纳米管(CNT)和导电聚合物中的至少一者。6.根据权利要求1所述的固...

【专利技术属性】
技术研发人员：李喆，阙小超，刘海晶，苏启立，陆涌，
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：