用于电池的高生坯密度陶瓷制造技术

本文阐述通过在非反应性环境下将陶瓷源粉末和前体反应物、粘结剂和功能添加剂浇铸成未烧结的薄生坯带来制备陶瓷薄生坯带的方法和材料。和材料。和材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池的高生坯密度陶瓷
[0001]相关申请的交叉引用本申请要求2020年1月15日提交的美国临时专利申请第62/961,611号的优先权和权益，其全部内容出于所有目的通过引用以其全部结合至本文中。


[0002]本公开涉及具有高密度的无机生坯带的前体、使用这些前体制备具有高密度的生坯带的方法、以及使用具有高密度的生坯带制备烧结薄膜的方法。

技术介绍

[0003]固态陶瓷，例如锂填充石榴石材料和锂硼氢化物、氧化物、硫化物、卤氧化物和卤化物，在包括燃料电池和可充电电池在内的多种电化学装置中作为离子导电电解质膜和隔膜的材料具有若干优势。当与其液基对应物相比较，上述固体陶瓷具有安全性和经济性优势以及与材料的固态和密度相关的优势，当这些材料作为电解质隔膜结合到电化学装置中时，其允许相应的高体积能量密度和重量能量密度。固态离子导电陶瓷因其在固态下的高离子导电特性、其电绝缘特性、以及其与多种电极材料比如锂金属的化学相容性及其对宽电压窗口的稳定性而非常适合于固态电化学装置。
[0004]尽管固态离子导电陶瓷具有一系列有利和有益的特性，但这些材料经受与形成致密生坯膜(即生坯带)和随后烧结这些生坯带相关的一系列问题。当固态离子导电陶瓷一般地配制为薄膜并烧结时，这些膜倾向于会粘在制备它们的基底上，由于加工条件而开裂或翘曲，或者在烧结后太脆而无法处理和操纵。在薄膜烧结期间，这些膜倾向于会开裂、翘曲或者出现表面劣化。
[0005]因此，在相关领域存在一系列与浇铸陶瓷比如(但不限于)石榴石的生坯带和烧结这些生坯带以制备高密度石榴石薄膜相关的问题。例如，相关领域需要的是用于浇铸具有高密度的生坯带的改进的材料和方法。

技术实现思路

[0006]本公开还阐述了这种材料和方法，加上其制备和使用，以及相关领域中问题的其他解决方案。
[0007]在一个实施方案中，提供用于制备高密度生坯带的方法，方法包括：(a) 提供包含至少一种源粉末的浆料；(b) 在非反应性环境下混合浆料与粘结剂溶液；(c) 在非反应性环境下浇铸浆料以形成生坯带；和(d) 在非反应性环境下干燥生坯带以达到密度>2.9 g/ml。
[0008]在某些实施方案中，就温度、压力或大气组成而言，每种非反应性环境均为独特的。在某些实施方案中，每种非反应性环境为相同的非反应性环境。
[0009]在一些实施方案中，在非反应性环境下煅烧至少一种源粉末以达到如通过几何密
度测量的密度>4.7 g/ml。在一些实施方案中，生坯带中至少一种源粉末的量为按重量计至少50%、55%、55%、60%、65%、70%、80%、85%或90%。在一些实施方案中，至少一种源粉末选自锂填充石榴石、锂填充石榴石的化学前体以及具有氧化铝掺杂剂的锂填充石榴石。在一些实施方案中，锂填充石榴石为选自Li
A
La
B
M'
c
M''
D
Zr
E
O
F
的材料，其中4<A<8.5，1.5<B<4，0≤C≤2，0≤D≤2；0≤E<2.5，10<F≤13.5，并且M'和M''各自独立地在每种情况下选自Al、Mo、W、Nb、Sb、Ca、Ba、Sr、Ce、Hf、Rb、Ga和Ta。在一些实施方案中，粒度d
50
为约100 nm
‑
200 nm、约200 nm
‑
300 nm、约300 nm
‑
400 nm、约400 nm
‑
500 nm、约500 nm
‑
600 nm、约600 nm
‑
700 nm、约700 nm
‑
800 nm、约800 nm
‑
900 nm、约900 nm
‑
1 μm、约1 μm
‑
2 μm或约2 μm
‑
3 μm。
[0010]在一些实施方案中，方法进一步包括在非反应性环境下于无水非质子溶剂中研磨至少一种源粉末。在一些实施方案中，非反应性环境包括氮气和在约
‑
10℃至
‑
20℃、在约
‑
20℃至
‑
30℃、在约
‑
30℃至
‑
40℃、在约
‑
40℃至
‑
50℃或在约
‑
50℃至
‑
60℃露点下的湿度。在一些实施方案中，非反应性环境包括氩气和在约
‑
10℃至
‑
20℃、在约
‑
20℃至
‑
30℃、在约
‑
30℃至
‑
40℃、在约
‑
40℃至
‑
50℃或在约
‑
50℃至
‑
60℃露点下的湿度。在一些实施方案中，非质子溶剂选自苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、四氢呋喃、二噁烷和1,2
‑
二甲氧基乙烷。在一些实施方案中，研磨选自干法研磨、搅拌研磨、超声研磨、高能研磨、湿法研磨、喷射研磨和低温研磨。在一些实施方案中，源粉末被研磨直至粒度d
50
为约100 nm
‑
200 nm、约200 nm
‑
300 nm、约300 nm
‑
400 nm、约400 nm
‑
500 nm、约500 nm
‑
600 nm、约600 nm
‑
700 nm或约700 nm
‑
750 nm。
[0011]在一些实施方案中，在步骤(c)或步骤(d)之前，方法包括在非反应性环境下混合改性源粉末的浆料与选自以下的粘结剂：聚丙烯(PP)、无规聚丙烯(aPP)、等规聚丙烯(iPP)、其他聚烯烃，比如乙丙橡胶(EPR)、乙烯
‑
戊烯共聚物(EPC)、聚异丁烯(PIB)、苯乙烯
‑
丁二烯橡胶(SBR)、聚(乙烯
‑
共聚
‑1‑
辛烯) (PE
‑
co
‑
PO)、聚(乙烯
‑
共聚
‑
亚甲基环戊烯) (PE
‑
co
‑
PMCP)、立构嵌段聚丙烯、聚丙烯
‑
聚甲基戊烯、聚环氧乙烷(PEO)、PEO嵌段共聚物、硅酮聚合物和共聚物、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯吡咯烷(PVP)、聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)、丙烯酸聚合物(例如聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯及其共聚物)、来自Paraloid系列树脂的粘结剂、来自Butvar系列树脂的粘结剂、来自Mowital系列树脂的粘结剂及其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.用于制备高密度生坯带的方法，所述方法包括：(a) 提供包含源粉末的浆料；(b) 在非反应性环境下混合所述浆料与粘结剂溶液；(c) 在非反应性环境下浇铸所述浆料以形成生坯带；和(d) 在非反应性环境下干燥所述生坯带以达到几何密度大于2.9 g/ml。2.权利要求1所述的方法，其中所述源粉末在非反应性环境下煅烧以达到几何密度大于4.7g/ml。3.权利要求1所述的方法，其中所述生坯带中源粉末的量为按重量计至少50%、55%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%。4.权利要求1
‑
3中任何一项所述的方法，其中所述至少一种源粉末选自锂填充石榴石、锂填充石榴石的化学前体以及具有氧化铝掺杂剂的锂填充石榴石。5.权利要求4所述的方法，其中所述锂填充石榴石为选自Li
A
La
B
M'
c
M''
D
Zr
E
O
F
的材料，其中4<A<8.5，1.5<B<4，0≤C≤2，0≤D≤2；0≤E<2.5，10<F≤13.5，并且M'和M''各自独立地在每种情况下选自Al、Mo、W、Nb、Sb、Ca、Ba、Sr、Ce、Hf、Rb、Ga和Ta。6.权利要求1
‑
5中任何一项所述的方法，其中至少一种源的粒度分布d
50
为约100 nm
‑
约200 nm、约200 nm
‑
约300 nm、约300 nm
‑
约400 nm、约400 nm
‑
约500 nm、约500 nm
‑
约600 nm、约600 nm
‑
约700 nm、约700 nm
‑
约800 nm、约800 nm
‑
约900 nm、约900 nm
‑
约1 μm、约1 μm
‑
约2 μm或约2 μm
‑
约3 μm。7.权利要求1
‑
6中任何一项所述的方法，其中所述方法进一步包括在非反应性环境下于无水非质子溶剂中研磨至少一种源粉末。8.权利要求1
‑
7中任何一项所述的方法，其中所述非反应性环境包括氮气或氩气或其组合和在约
‑
10℃至
‑
20℃、在约
‑
20℃至
‑
30℃、在约
‑
30℃至
‑
40℃、在约
‑
40℃至
‑
50℃或在约
‑
50℃至
‑
60℃露点下的湿度。9.权利要求7
‑
8中任何一项所述的方法，其中所述非质子溶剂选自苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、四氢呋喃、二噁烷和1,2
‑
二甲氧基乙烷。10.权利要求1
‑
9中任何一项所述的方法，其中所述研磨选自干法研磨、搅拌研磨、超声研磨、高能研磨、湿法研磨、喷射研磨和低温研磨。11.权利要求10所述的方法，其进一步包括研磨所述源粉末直至所述源粉末的粒度分布d
50
为约100 nm
‑
200 nm、约200 nm
‑
300 nm、约300 nm
‑
400 nm、约400 nm
‑
500 nm、约500 nm
‑
600 nm、约600 nm
‑
700 nm或约700 nm
‑
750 nm。12.权利要求1
‑
11中任何一项所述的方法，其进一步包括在步骤(c)或步骤(d)之前，在非反应性环境下混合改性源粉末的浆料与选自以下的粘结剂：聚丙烯(PP)、无规聚丙烯(aPP)、等规聚丙烯(iPP)、乙丙橡胶(EPR)、乙烯
‑
戊烯共聚物(EPC)、聚异丁烯(PIB)、苯乙烯
‑
丁二烯橡胶(SBR)、聚(乙烯
‑
共聚

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：昆腾斯科普电池公司，
类型：发明
国别省市：