【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
1.本专利技术涉及电化学设备，诸如包括阴极、阳极和包括压电材料的结构(例如，层或膜)的电化学电池单元。本专利技术还涉及用于改进电化学电池单元的性能的方法。2.相关技术当前最先进的锂离子电池包括包含锂主体材料的阳极、包含锂主体材料的阴极、使阳极和阴极保持不接触但允许li+离子通过的隔膜材料以及电解质(其通常是含有锂盐的有机液体)。在典型的放电过程中，锂离子从阳极被提取到电解质中，并且电解质中的锂离子嵌入到阴极材料中。离子从阳极到阴极的这种移动伴随着在外部电路中流动的电子的释放。在充电过程中发生相反的过程，其中锂离子从阴极移动并通过电解质嵌入阳极。锂金属电池使用锂金属作为阳极材料。锂金属一直被认为是理想的阳极材料，因为它能够以金属形式存储轻质的锂，而不需要非活性的主体材料或导电支架。锂可以提供3860mah/g的容量和最低的理论阳极电势，使其成为包括锂-硫和锂-空气在内的下一代电池系统的赋能技术。循环寿命在可充电电池的应用中很重要。在锂离子电池和锂金属电池中，会在数千次循环中发生容量衰减。锂离子电池容量衰减的最常见的来源是锂损失到固体电解质界面(sei)，众所周知，在充电过程中，锂与电解质相互作用会在电极上形成该sei。在锂离子电池的情况下，sei是在阳极处形成的，因为在充电期间，典型的电解质在阳极的操作电势下是不稳定的。这种分解的产物在阳极活性材料的表面上形成固体层。sei充当离子导体和电子绝缘体，并逐渐在阳极上形成复杂的多层表面涂层。最初，sei的形成保护阳极在较大负电压下免受溶剂分解的影响，但随着时间的推移，随着sei层的增厚和与可逆锂嵌入的竞争，它
技术介绍
技术实现思路
1、本公开提供了一种系统和方法，其可以通过使用包括压电材料的结构(例如，层或膜)来改进电化学电池单元的容量、能量和循环寿命。电化学电池单元可以以电池或其他类型的能量存储设备的形式起作用。电池单元可以包括阴极、阳极、电解质、以及包括压电材料的结构(例如，层或膜)。包括压电材料的结构(例如，层或膜)可以生成跨其厚度的局部电场，这是由外部施加的压力或力导致的，或者是由于在诸如电沉积、插层或氧化还原反应等操作期间电极的内部变形所导致的。生成的局部电场调节活性材料和电解质之间的sei界面处及其附近的离子传输、反应电势或双层结构。这改进了电流密度分布，并减少了电极中的副反应，诸如sei的形成和生长。结果，具有包括压电材料的这种结构(例如，层或膜)的电化学电池单元显示出改进的容量、能量和更长的循环寿命。
2、本公开提供了一种用于通过引入包括压电材料的结构(例如，层或膜)来改进电化学电池单元的性能的系统和方法，该压电材料能够在电化学电池单元内提供电场。所生成的电场影响电化学电池单元的内部电势，从而影响活性材料和电解质之间的界面处及其附近的离子扩散和传输、反应电势或双层结构。这可以改进电池单元内的电流密度分布，并且还可以减少电极中的副反应，诸如sei的形成和生长。结果，具有包括压电材料的这种结构(例如，层或膜)的电化学电池单元显示出改进的容量、能量和更长的循环寿命。所生成的电场是由于包括压电材料的结构沿着横向方向或厚度方向经历变形，这可以由外部施加的压力或力导致，或者是由于在诸如电沉积、插层或氧化还原反应等充电和放电过程期间电极的内部变形所导致的。
3、本公开可以以使用金属(例如，锂、镁、钠、锌)电极的电池单元的形式应用。除了其他改进之外，由于减少了sei的形成，该结构还可以在循环过程中减少阳极材料的损失(例如，锂损失)。本公开可以应用于锂金属电池单元和锂离子电池单元，以及包括在充电和放电循环期间经历压力和体积变化的电极的任何其他电化学电池单元。将本公开的结构添加到电化学电池单元中可以有利地改进包括包含压电材料的结构的电化学电池单元的电池单元性能、电池单元寿命和效率。
4、在一个方面中，本公开提供了一种电化学电池单元。电池单元包括阴极、阳极、电解质、以及包括压电材料的结构(例如，层或膜)。电解质的一部分位于阳极和阴极之间。包括压电材料的结构能够产生电场，并且结构的至少一部分位于阳极和阴极之间。
5、在另一方面中，本公开提供了包括可以生成电场的压电材料的结构(例如，层或膜)的多种设计策略。结构可以是涂层、或膜、或涂层或膜的组合。涂层可以涂覆在隔膜上，或者包括压电材料的结构上。还可以在结构内添加特别制造的单元(可以是颗粒、颗粒簇等)，以增加电场生成能力。
6、在又另一方面中，本公开提供了一种包括如本文的一个或多个互连电化学电池单元的电池，其中，电化学电池单元以串联、并联或其组合的方式连接。本文的电化学电池单元可以用于各种电池单元和其他电化学能量存储设备。例如，电化学电池单元可以用在锂金属阳极电池单元中，诸如锂硫电池单元和锂空气电池单元等。
7、在又一个方面中，本公开提供了一种电化学电池单元，包括：阳极，阳极具有形成于其上的固体电解质界面层；阴极；电解质，其中，电解质的至少一部分位于阳极和阴极之间；以及包括压电材料的结构，结构接触阳极的固体电解质界面层的至少一部分，其中，当结构受到来自阳极或形成在阳极上的固体电解质界面层的力时，结构的宏观偶极子产生电压，并且其中，结构的宏观偶极子相对于力定向，使得电压降低导致固体电解质界面层生长的过电势。
8、在电化学电池单元中，在电化学电池单元的循环期间，阳极的膨胀在结构上产生力。在电化学电池单元的一个实施例中，结构可以包括隔膜，隔膜防止阳极和阴极之间的电子传导，并且允许经由电解质的离子传导。在电化学电池单元的一个实施例中，电化学电池单元包括隔膜，隔膜防止阳极和阴极之间的电子传导，并且允许经由电解质的离子传导，并且结构包括压电材料的层，层涂覆在隔膜的表面上。在电化学电池单元的一个实施例中，电化学电池单元包括隔膜，隔膜防止阳极和阴极之间的电子传导，并且允许经由电解质的离子传导，隔膜包括第二压电材料，并且结构包括压电材料的层，其中，层涂覆在隔膜的表面上。
9、在电化学电池单元的一个实施例中，电化学电池单元包括隔膜，隔膜防止阳极和阴极之间的电子传导，并且允许经由电解质的离子传导，其中，结构可以包括压电材料的层，层涂覆在隔膜的第一表面上，层接触形成在阳极上的固体电解质界面层，并且其中，电化学电池单元进一步包括第二结构，第二结构包括第二层，第二层包括第二压电材料，第二层涂覆在隔膜的第二表面上，第二层接触形成在阴极上的第二固体电解质界面层。
10、在电化学电池单元的一个实施例中，电化学电池单元包括隔膜，隔膜防止阳极和阴极之间的电子传导，并且允许经由电解质的离子传导，隔膜包括第三压电材料，并且结构可以包括压电材料的层，层涂覆在隔膜的第一表面上，层接触形成在阳极上的固体电解质界面层，并且电化学电池单元进一步包括第二结构，第二结构包括第二层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括：
2.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
3.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
4.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
5.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
6.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
7.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
8.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
9.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
10.如权利要求5至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
11.如权利要求5至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
12.如权利要求7所述的电化学电池单元，其特征在于：
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14.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
15.如权利要求1至
16.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
17.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
18.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
19.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
20.如权利要求4至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
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24.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
25.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
26.如权利要求4至7中的任一项所述的电化学电池单元，进一步包括：
27.如权利要求26所述的电化学电池单元，其特征在于，所述至少一个附加层由选自以下各项的至少一种材料形成：碳、层状材料、金属碳化物、非金属碳化物、金属氮化物、非金属氮化物、金属硅化物、非金属硅化物、以及金属合金。
28.如权利要求4至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
29.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
30.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
31.一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括：
32.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
33.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
34.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
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36.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
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40.如权利要求32、或权利要求34、或权利要求36所述的电化学电池单元，其特征在于：
41.如权利要求32、或权利要求34、或权利要求36的电化学电池单元，其特征在于：
42.如权利要求31至37中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
43.如权利要求31至37中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
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48.如权利要求37所述的电化学电池单元，其特征在于：
49.如权利要求37所述的电化学电池单元，其特征在于：
50.如权利要求31至37中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
51.如权利要求31至37中的任一...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括：
2.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
3.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
4.如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于：
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20.如权利要求4至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
21.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
22.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
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25.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
26.如权利要求4至7中的任一项所述的电化学电池单元，进一步包括：
27.如权利要求26所述的电化学电池单元，其特征在于，所述至少一个附加层由选自以下各项的至少一种材料形成：碳、层状材料、金属碳化物、非金属碳化物、金属氮化物、非金属氮化物、金属硅化物、非金属硅化物、以及金属合金。
28.如权利要求4至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
29.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
30.如权利要求1至7中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
31.一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括：
32.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
33.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
34.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
35.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
36.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
37.如权利要求31所述的电化学电池单元，其特征在于：
38.如权利要求31至37中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
39.如权利要求31至37中的任一项所述的电化学电池单元，其特征在于：
40.如权利要求32、或权利要求34、或权利要求36所述的电化学电池单元，其特征在于：
41.如权利要求32、或权利要求34、或权利要求36的电化学电池单元，其特征在于：
42.如权利要求31至...
【专利技术属性】
技术研发人员：W·陆，高天涵，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：
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