复合材料制造技术

用作电化学电池的电极的复合材料包括：由包含电极活性材料的基体颗粒提供的基体；和既是电子传导又是离子传导的传导部分，该传导部分由分布在基体颗粒中的传导颗粒提供。传导颗粒包括：既是离子传导又是电子传导的材料；或离子传导颗粒和电子传导颗粒的混合物，该电子传导颗粒具有至少0.6的球形度。传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少10％。值是基体颗粒的D50值的至少10％。值是基体颗粒的D50值的至少10％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合材料


[0001]本专利技术涉及复合材料，特别是用作电化学电池中的电极的复合材料，以及其制造方法。

技术介绍

[0002]固态锂离子电池是一种类型的可充电电池，其中锂离子(Li+)在放电期间从负极移动到正极，并且在充电时返回。每个电极都能够可逆地存储锂离子，并且由固体本体(bulk，块状)电解质(其允许离子传输)分隔。
[0003]这些组件中的每个典型地作为薄膜形成，依次沉积在支撑基底上。还可提供另外的组件例如集电器、界面改性剂和封装物。在制造中，可例如按照阴极集电器、阴极、电解质、阳极、阳极集电器和封装物的顺序沉积组件。然而，沉积的顺序可变化，条件是所得装置含有正电极(阴极)、电解质隔膜和负电极(阳极)。
[0004]固态电池与液体电解质锂离子电池相比可提供多种优势，例如增加的能量密度、增加的功率密度、低泄漏电流和降低的可燃性。因此，固态电池已被考虑用于例如电动车辆和消费者电子产品。在这样的应用中，通常期望仍进一步增加能量密度以提高车辆行驶里程(在电动车辆的情况下)、装置效率和/或装置寿命。
[0005]增加能量密度的一种方法是使电极更厚，以减少电池的非活性组件(例如集电器和本体电解质层)的相对体积。然而，由于厚电极中的离子和/或电子传输速率产生的限制，这可对电池可实现的功率产生不利影响。
[0006]在液体电解质锂离子电池的情况下，已知的是例如通过增加电极孔隙率来增加离子传输速率(参见，例如，Roberts等,Journal of the Electrochemical Society 2007,154,A921
‑
A928)。这被认为会增加可及的(accessible)表面积的量，通过所述表面积可在液相和固相之间发生离子传输。然而，在固态电池的情况下，离子和电子传输的挑战仍有待解决。

技术实现思路

[0007]在第一方面，本专利技术可提供一种复合材料，所述复合材料包括：
[0008]由包含电极活性材料的基体颗粒提供的基体；和
[0009]既是电子传导又是离子传导的传导(conductive，导电)部分，该传导部分由分布在基体颗粒中的传导颗粒提供；
[0010]其中传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少5％。
[0011]传导颗粒可包括既是离子传导又是电子传导的材料。然而，在其他情况下，传导颗粒可包括以下的混合物：
[0012]·
离子传导颗粒；和
[0013]·
电子传导颗粒，该电子传导颗粒具有至少0.6的球形度。
[0014]通过提供作为离子传导颗粒和电子传导颗粒的混合物的传导颗粒，可从更广泛的
范围中选择以这些颗粒类型中的每一种所提供的材料，以便更紧密地定制复合材料的性质。典型地，在传导颗粒为离子传导颗粒和电子传导颗粒的混合物的情况下，离子传导颗粒和电子传导颗粒的D50值大致上相似：例如，两个D50值中的最大值可小于两个D50值中的最小值的两倍。
[0015]据认为，通过提供具有指定的D90值的传导颗粒，这些颗粒将大到足以阻碍基体颗粒的紧密堆积。结果，相邻的基体颗粒可被传导颗粒楔形分开(wedged apart)，从而在基体颗粒之间建立通路和/或网络，这些通路和/或网络允许离子和/或电子在整个复合材料中传输。
[0016]这可允许复合材料提供具有增加的厚度的电极，同时保持在电化学装置中提供可接受的性能所需的离子和电子传导率水平。
[0017]相比之下，据认为，如果传导颗粒的D90值小于基体颗粒的D50值的5％，则传导颗粒可有效地变得困在相邻基体颗粒之间的空隙中，使得传导颗粒彼此隔离并且阻碍了离子和/或电子传输路径的建立。
[0018]在某些情况下，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少7％。在某些情况下，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少10％。在某些情况下，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少15％。在某些情况下，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少20％。
[0019]在某些实施方案中，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D90值的至少5％。在某些实施方案中，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D90值的至少10％。在某些实施方案中，传导颗粒的D90值是基体颗粒的D90值的至少15％。
[0020]在传导颗粒包含电子传导颗粒和离子传导颗粒的混合物的情况下，这两种颗粒类型通常以大致上相似的量(如按体积测量的)提供在复合材料内。因此，例如，电子传导颗粒与离子传导颗粒的比率(以每种颗粒类型的总体积的比率表示)可在5:1至1:5的范围内。在某些实施方案中，该比率可在3:1至1:3的范围内。在某些实施方案中，该比率可在2:1至1:2的范围内。
[0021]典型地，传导颗粒提供复合材料的至少5体积％的体积分数，在某些情况下复合材料的10体积％、优选至少15体积％、更优选至少20体积％的体积分数(术语“体积分数”在本文中用于表示相对于复合材料的固体体积测量的体积分数，即排除复合材料中可能存在的任何空隙)。据认为，需要该体积的传导颗粒来填充在楔形分开的相邻基体颗粒之间产生的通路。
[0022]在传导颗粒包含电子传导颗粒和离子传导颗粒的混合物的情况下，优选的是，传导颗粒提供复合材料的至少10体积％的体积分数，在某些情况下复合材料的至少15体积％、优选至少18体积％、更优选至少22体积％的体积分数。据认为，需要更大比例的混合的颗粒来建立清晰的但通常相互渗透的网络，以能够实现电子和离子两者的传输。
[0023]典型地，传导颗粒提供复合材料的最高达35体积％，优选最高达30体积％，更优选最高达28体积％。据认为，传导颗粒的体积分数的这些上限可允许为电子和/或离子提供传输通路，同时提供足够的电极活性材料以保持可接受的重量容量水平(重量容量是电池的总充电容量，表示为电池重量的函数)。也认为，一旦传导颗粒的体积分数已超过某个阈值，就存在完全形成的传导网络并且添加进一步的传导颗粒没有显著优势。
[0024]在某些情况下，传导颗粒提供复合材料的5
‑
35体积％。在某些情况下，传导颗粒提供复合材料的10
‑
30体积％。
[0025]优选地，传导颗粒的D90值应为基体颗粒的D90值的最高达30％、更优选最高达25％、最优选最高达20％。
[0026]据认为，通过提供具有宽粒度分布的基体颗粒，可实现这些颗粒的更密堆积，从而增加重量容量。因此，优选的是基体颗粒的粒度分布使得基体颗粒的D90值是D50值的至少1.5倍，更优选D50值的至少1.7倍，最优选D50值的至少2倍。
[0027]据认为，通过提供具有宽粒度分布的传导颗粒，可实现这些颗粒的更密堆积。因此，优选的是传导颗粒的粒度分布使得传导颗粒的D90值是D50值的至少1.5倍，更优选D50值的至少1.7倍，最优选D50值的至少2倍。
[0028]在某些情况下，基体颗粒和/或传导颗粒的粒度分布是单峰的，即，其具有单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.复合材料，其包括：由包含电极活性材料的基体颗粒提供的基体；和既是电子传导又是离子传导的传导部分，该传导部分由分布在基体颗粒中的传导颗粒提供，该传导颗粒包括：
·
既是离子传导又是电子传导的材料；或
·
离子传导颗粒和电子传导颗粒的混合物，该电子传导颗粒具有至少0.6的球形度；其中传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少5％。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中传导颗粒以至少10体积％、优选至少15体积％、更优选至少20体积％的量存在。3.根据权利要求1或权利要求2所述的复合材料，其中传导颗粒以最高达35体积％、优选最高达30体积％、更优选最高达28体积％的量存在。4.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少10％。5.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少15％、优选至少20％。6.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中传导颗粒具有至少50nm、优选至少100nm、更优选至少200nm的D90值。7.复合材料，其包括：由包含电极活性材料的基体颗粒提供的基体；由分布在基体颗粒中的离子传导颗粒提供的离子传导部分；以及分布在基体颗粒中的电子传导部分；其中离子传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少5％。8.根据权利要求7所述的复合材料，其中离子传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少10％、优选15％、更优选20％。9.根据权利要求7或权利要求8所述的复合材料，其中电子传导部分以丝状物或针状物的形式提供。10.根据权利要求7或权利要求8所述的复合材料，其中电子传导部分以具有至少0.6的球形度的颗粒的形式提供，其中电子传导相的颗粒的D50值小于离子传导相的颗粒的D50值的25％。11.根据权利要求7
‑
10中任一项所述的复合材料，其中离子传导颗粒以复合材料的至少10体积％的体积分数存在。12.根据权利要求7
‑
11中任一项所述的复合材料，其中离子传导颗粒以复合材料的最高达28体积％的体积分数存在。13.复合材料，其包括：由包含电极活性材料的基体颗粒提供的基体；由分布在基体颗粒中的离子传导颗粒提供的离子传导部分；以及由分布在基体颗粒中的电子传导颗粒提供的电子传导部分；其中电子传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少5％，优选至少10％。14.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中基体颗粒具有至少0.1μm、优选至少0.2μm、至少0.5μm的D50值。15.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中基体颗粒的粒度分布使得基体颗粒的D90值为D50值的至少1.5倍、优选D50值的至少1.7倍。
16.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中复合材料具有厚度为至少300μm、优选至少400μm、更优选至少500μm的平面构型。17.电极，其包括根据前述权利要求中任一项所述的复合材料。18.电化学电池，其包括两个电极和设置在其间的本体电解质，其中至少一个电极包含根据前述权利要求中任一项所述的复合材料。19.制造复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
·
提供一定量的基体颗粒，所述基体颗粒包含电极活性材料；
·
提供一定量的传导颗粒，该传导颗粒包括：
·
既是离子传导又是电子传导的材料；或
·
离子传导颗粒和电子传导颗粒的混合物，该电子传导颗粒具有至少0.6的球形度；
·
制备包含基体颗粒、传导颗粒和流体载体介质的墨配制物；和
·
将墨配制物沉积在基底上以提供印刷层；其中传导颗粒的D90值是基体颗粒的D50值的至少5％。20.根据权利要求19所述的方法，其中，相对于墨配制物的固体含量计，传导颗粒以至少10体积％、优选至少15体积％、更优选至少20体积％的量存在。21.根据权利要求19或权利要求20所述的方法，其中，相对于墨配制物的固体含量计，传导颗粒以最高达35体积％、优选最高...

【专利技术属性】
技术研发人员：CE李，D劳格曼，S雅科夫列夫，L陈，
申请(专利权)人：伊利卡科技有限公司，
类型：发明
国别省市：