用于锂离子电池和其它用途的电极制造技术

本公开总体涉及适用于例如电池、电容器、传感器、续电器、电致变色元件、光电转换元件等电化学装置的各种电极。一些实施方案总体涉及被例如填充在电极内的多孔空间中的电解质包围的电极材料。例如，一个方面总体涉及包括包含颗粒的电极的电化学装置。一些或所有颗粒可以被例如固体电解质等电解质包围。本发明专利技术的其它方面总体涉及包括此类电极的装置、制造或使用此类电极的方法、或包括此类电极的套件等。或包括此类电极的套件等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池和其它用途的电极
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年7月16日提交的U.S.非临时申请序列号16/512,502的优先权。上述专利申请的整体在此通过引用并入本文并且成为本说明书的一部分。


[0003]本公开总体涉及适用于例如电池、电容器、传感器、续电器、电致变色元件、光电转换元件等电化学装置的各种电极。

技术介绍

[0004]随着锂离子电池(LIB)的能量密度的提高和规模的扩大，寻找针对LIB的安全性问题的解决方案对于LIB发展变得更加重要。LIB中存在的安全性问题可能会由于使用例如碳酸酯/醚等混合易燃溶剂作为溶剂体系而出现，在过度充电、短路、过热等情况下会导致来自LIB着火、燃烧或甚至爆炸等的严重事故。
[0005]在固态锂电池中，存在不同种类的电解质，包括无机电解质、有机电解质和复合电解质。可能难以提供电极材料与电解质之间良好的接触。在接触松动或无接触的情况下，无法完全达到电池的容量，并且电池的内阻会相对较高，这会限制电池性能。因此，需要改进电解质。

技术实现思路

[0006]本公开总体涉及适用于例如电池、电容器、传感器、续电器、电致变色元件、光电转换元件等电化学装置的各种电极。在一些情况下，本专利技术的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案和/或一种或多种系统和/或制品的多种不同用途。
[0007]在一方面，本专利技术总体涉及电化学装置。
[0008]在一组实施方案中，电化学装置包含颗粒和固体电解质。在一些情况下，颗粒之间的至少50体积％的空隙包含固体电解质。
[0009]根据另一组实施方案，电化学装置包括包含颗粒的电极、和固体电解质。在一些实施方案中，至少90％的颗粒与固体电解质接触。
[0010]在又一组实施方案中，电化学装置包括多孔电极和存在于电极的至少90体积％的孔体积中的固体电解质。
[0011]根据又一组实施方案，电化学装置包括多孔电极和包含在多孔电极的孔内的固体电解质。在某些情况下，固体电解质使得电极达到至少75％的设计容量。
[0012]在另一方面，本专利技术总体涉及电极。
[0013]在一组实施方案中，电极包含颗粒和固体电解质。在一些情况下，颗粒之间的至少50体积％的空隙包含固体电解质。
[0014]在另一组实施方案中，电极包含颗粒和固体电解质，其中至少90％的颗粒与固体电解质接触。
[0015]在又一组实施方案中，电极为多孔电极，其中电极包含存在于电极的至少90体积％的孔体积中的固体电解质。
[0016]在又一组实施方案中，电极为多孔电极，其中电极包括包含在多孔电极的孔内的固体电解质。在一些情况下，固体电解质使得电极达到至少75％的设计容量。
[0017]在又一方面，本专利技术总体涉及电极的制造方法。
[0018]根据一组实施方案，该方法包括将多个颗粒压制在一起以形成电极前体、将电极前体暴露于包含电解质前体的溶剂、从电极前体除去至少一些溶剂、和使电解质前体在电极前体内固体化以形成包含颗粒和固体电解质的电极。
[0019]在另一组实施方案中，电极包括包含颗粒的电极，其中至少75％的颗粒被电解质包围。在一些情况下，颗粒之间的孔或空隙可以由电解质填充。
[0020]在一些情况下，例如本文中记载的那些电解质等电解质可以包含聚合物、可交联低聚物、增塑剂和/或锂盐中的一种或多种。本文中记载了这些物质的一些实例。例如，在一个实施方案中，聚合物可以包括以下中的一种或多种：
[0021][0022]其中R1包括以下中的一种或多种：
[0023][0024]其中n为1至10,000之间的整数；其中m为1至5,000之间的整数；其中R2、R3、R4、R5和
R6各自独立地选自由以下组成的组：
[0025][0026]和其中*表示连接点。
[0027]在另一方面，本专利技术包括用于制造一种或多种本文中所述的实施方案的方法，例如，制造电极的方法。在又一方面，本专利技术包括一种或多种本文中所述的实施方案的使用方法，例如，电极的使用方法。
[0028]当结合附图考虑时，从以下本专利技术的各种非限制性实施方案的详细描述，本专利技术的其它优点和新特征将变得显而易见。
附图说明
[0029]将参考附图通过实例的方式描述本专利技术的非限制性实施方案，其中附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，所示的每个相同或几乎相同的组分通常由同一数字表示。为了清楚的目的，并未在每个附图中标记每个组分，也没有示出本专利技术的各实施方案的每个组分，其中说明对于使本领域普通技术人员理解本专利技术不是必需的。在附图中：
[0030]图1A和图1B为示出各种电化学装置的示意图；
[0031]图2示出根据本公开的一些实施方案的单元(cell)的循环性能测试曲线；
[0032]图3示出根据本公开的某些实施方案的单元的循环性能测试曲线；
[0033]图4示出根据本公开的一些实施方案的电池的电化学阻抗谱；
[0034]图5示出根据本公开的某些实施方案的电解质的电化学阻抗谱；
[0035]图6示出根据本公开的某些实施方案的单元的电化学稳定性测试曲线；和
[0036]图7示出根据本公开的某些实施方案的保护设备。
[0037]图8示出实施例8
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1、实施例8
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2和实施例8
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3在0.1C下的容量保持率。
具体实施方式
[0038]本公开总体涉及适用于例如电池、电容器、传感器、续电器、电致变色元件、光电转换元件等电化学装置的各种电极。一些实施方案总体涉及被例如填充在电极内的多孔空间中的电解质包围的电极材料。例如，一个方面总体涉及包括包含颗粒的电极的电化学装置。一些或所有颗粒可以被例如固体电解质等电解质包围。本专利技术的其它方面总体涉及包括此类电极的装置、制造或使用此类电极的方法、或包括此类电极的套件等。
[0039]本专利技术的一些方面总体涉及包含颗粒的电极。在一些实施方案中，一些或所有颗粒被例如固体电解质等电解质包围。例如，在一些情况下，颗粒之间的至少一些孔或空隙可以由电解质填充。由于颗粒可以被电解质包围以使至少一些孔或空隙由电解质填充，因此，颗粒与电解质之间的接触可以非常紧密。这会使电化学装置的内阻较低，其会使电化学装置表现出更高的容量。
[0040]首先转向图1A，现在描述一个非限制性实施方案的示意图。在该图中，电化学装置10包括形成电极(例如，阴极)和对电极(例如，阳极)50的颗粒30。可以为固体电解质的电解
质20将电极和对电极分开。电极30与集电器40电连通，而对电极也可以与集电器(未在图1A中示出)电连通。电化学装置10可以为电池(例如，锂离子电池)或例如本文中记载的那些等其它装置。例如，如果电化学装置10为锂离子电池，则电极30可以为阴极，并且对电极50可以为阳极(例如，包含锂金属)。
[0041]在一组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电极，其包含颗粒和固体电解质，其中所述颗粒之间的至少50体积％的空隙包含所述固体电解质。2.根据权利要求1所述的电极，其中所述颗粒包含正极电活性材料。3.根据权利要求1或2任一项所述的电极，其中至少75体积％的所述空隙包含所述固体电解质。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的电极，其中至少90体积％的所述空隙包含所述固体电解质。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的电极，其中至少95体积％的所述空隙包含所述固体电解质。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的电极，其中至少一些所述颗粒包含锂。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的电极，其中至少一些所述颗粒包含锂盐。8.根据权利要求1
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7中任一项所述的电极，其中至少一些所述颗粒包含锂镍钴锰氧化物、锂镍钴锰铝氧化物、锂镍钴铝氧化物、钛酸锂、金属锂锂金属氧化物、锂锰氧化物、锂钴氧化物、和/或磷酸铁锂。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的电极，其中所述颗粒的D50小于10微米。10.根据权利要求1
‑
9中任一项所述的电极，其中所述颗粒的D50小于3微米。11.根据权利要求1
‑
10中任一项所述的电极，其中所述颗粒的D50为至少1微米。12.根据权利要求1
‑
11中任一项所述的电极，其中至少50％的所述颗粒与所述固体电解质接触。13.根据权利要求1
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12中任一项所述的电极，其中至少75％的所述颗粒与所述固体电解质接触。14.根据权利要求1
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13中任一项所述的电极，其中至少90％的所述颗粒与所述固体电解质接触。15.根据权利要求1
‑
14中任一项所述的电极，其中所述固体电解质使得所述电极达到至少75％的设计容量。16.根据权利要求1
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15中任一项所述的电极，其中所述固体电解质使得所述电极达到至少90％的设计容量。17.根据权利要求1
‑
16中任一项所述的电极，其中所述电极的容量为至少1mA h/cm2。18.根据权利要求1
‑
17中任一项所述的电极，其中所述电极的容量为至少2mA h/cm2。19.根据权利要求1
‑
18中任一项所述的电极，其中所述电极的容量为至少3mA h/cm2。20.根据权利要求1
‑
19中任一项所述的电极，其中所述电极的容量为至少4mA h/cm2。21.根据权利要求1
‑
20中任一项所述的电极，其中所述固体电解质形成所述电极的至少10wt％。22.根据权利要求1
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21中任一项所述的电极，其中所述固体电解质形成所述电极的至少20wt％。23.根据权利要求1
‑
22中任一项所述的电极，其中所述固体电解质形成所述电极的不超过40wt％。24.根据权利要求1
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23中任一项所述的电极，其中所述固体电解质形成所述电极的不超过30wt％。
25.根据权利要求1
‑
24中任一项所述的电极，其中所述固体电解质包含聚合物。26.根据权利要求25所述的电极，其中至少75wt％的所述固体电解质为所述聚合物。27.根据权利要求25或26任一项所述的电极，其中所述聚合物包括聚(乙烯)(PE)、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(丙烯)(PP)、聚(环氧丙烷)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)、聚(双(甲氧基乙氧基乙氧基)磷腈)、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯磺酸盐(PSS)、聚氯乙烯(PVC)、聚(偏二氯乙烯)聚环氧丙烷、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚(对苯二甲酸乙二酯)(PET)、聚酰亚胺、聚羟基烷酸酯(PHA)、和/或聚(丙烯腈
‑
共
‑
甲基丙烯酸酯)。28.根据权利要求25
‑
27中任一项所述的电极，其中所述聚合物包括包含PEO的共聚物。29.根据权利要求28所述的电极，其中所述聚合物包括聚苯乙烯(PS)
‑
PEO共聚物和/或聚合物包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)
‑
PEO共聚物。30.根据权利要求25
‑
29中任一项所述的电极，其中所述聚合物包含交联反应的产物，所述交联反应的产物包括选自由以下组成的组中的聚合物：其中R1包含选自由以下组成的组中的结构：
其中n为1至10,000之间的整数；其中m为1至5,000之间的整数；其中R2、R3、R4、R5和R6各自独立地选自由以下组成的组：和其中*表示连接点。31.根据权利要求30所述的电极，其中所述聚合物经由脲官能团和/或氨基甲酸酯官能团交联。32.根据权利要求30或31任一项所述的电极，其中所述聚合物经由可交联低聚物交联。33.根据权利要求32所述的电极，其中所述固体电解质的所述聚合物与所述可交联低聚物的摩尔比在1:4至3:2之间。34.根据权利要求32或33任一项所述的电极，其中所述固体电解质进一步包含增塑剂。35.根据权利要求34所述的电极，其中所述固体电解质的(聚合物+可交联低聚物)与所述增塑剂的摩尔比在2:1至1:2之间。36.根据权利要求1
‑
35中任一项所述的电极，其中所述固体电解质包含溶剂。37.根据权利要求36所述的电极，其中所述溶剂包括CH2Cl2、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、二甲氧基乙烷(DME)、二氧戊环(DOL)、和/或N
‑
丙基
‑
N
‑
甲基吡咯烷鎓双(三氟甲烷磺酰基)亚胺。38.根据权利要求1
‑
37中任一项所述的电极，其中所述固体电解质包含锂盐。39.根据权利要求38所述的电极，其中所述锂盐包括LiTFSI、LiFSI、LiBOB、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiDFOB、LiF、LiCl、LiBr、LiI、Li2SO4、LiNO3、Li3PO4、Li2CO3、LiOH、乙酸锂、三氟甲基乙酸锂、和/或草酸锂。40.根据权利要求1
‑
39中任一项所述的电极，其中所述固体电解质包含稳定添加剂。41.根据权利要求40所述的电极，其中所述稳定添加剂包括双(草酸根合)硼酸锂(LiBoB)。42.根据权利要求40或41任一项所述的电极，其中所述稳定添加剂以0
‑
0.3wt％存在。43.根据权利要求1
‑
42中任一项所述的电极，其中所述电极进一步包括设置在所述电极的表面的至少一部分上的支承结构。44.根据权利要求43所述的电极，其中所述支承结构包括无纺布。45.根据权利要求44所述的电极，其中所述无纺布包含聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚(偏二氟乙烯
‑
共
‑
六氟丙烯)(PVDF
‑
co
‑
HFP)、聚丙烯腈(PAN)和/或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。46.根据权利要求43
‑
45中任一项所述的电极，其中所述支承结构包括覆盖有无机纳米颗粒的复合膜。47.根据权利要求43
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【专利技术属性】
技术研发人员：涂雅琪，傅国鹏，朴钟焕，任东，
申请(专利权)人：飞翼新能源公司，
类型：发明
国别省市：