具有偏移幾何結構的固態電池制造技術

在一個實施例中，固態電池包括：第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽極之間的第一固體電解質分隔物；第一基本層，包括定位在第一陽極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽極的第一橫向延伸部；第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽極之間的第二固體電解質分隔物；第二基本層，包括定位在第二陽極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及多路復用器，（i）通過第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和（ii）通過第二橫向延伸部與第二基本部分電通信。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】交叉引用本申請要求保護于2013年8月27日提交的美國臨時申請No. 61/870,269的權益，該臨時申請的整體內容通過引用并入于此。
本公開涉及電池，并且更具體地涉及固態電池。
技術介紹
可再充電鋰離子電池是針對便攜式電子設備以及電動和混合電動車輛的有吸引力的能源存儲系統，這是因為它們與其他電化學能量存儲設備相比的高比能。典型的Li離子電池單元包含負電極、正電極和負電極與正電極之間的分隔物區域。兩個電極包含可逆地插入鋰或與鋰反應的活性材料。在一些情況下，負電極可以包括可以可逆地電化學溶解和沉積的鋰金屬。分隔物包含具有鋰陽離子的電解質，并且用作電極之間的物理屏障，使得沒有一個電極在電池單元內電子連接。通常，在充電期間，在正電極處存在電子的生成并且在負電極處存在等量的電子的消耗，以及這些電子經由外部電路來傳遞。在電池單元的理想充電中，在正電極處生成這些電子，因為存在經由氧化鋰離子從正電極的活性材料的提取，并且在負電極處消耗電子，因為存在鋰離子成負電極的活性材料的還原。在放電期間，完全相反的反應發生。與具有常規碳質負電極的電池相比，具有鋰金屬負電極的電池提供極高的比能（以Wh/kg為單位）和能量密度（以Wh/L單位)。然而，這樣的系統的循環壽命由于下述是相當有限的：（a）每個循環期間的電池單元夾層中的顯著體積變化，因為Li金屬被剝離和鍍覆；（b）再充電期間的枝晶的形成，該枝晶可能穿透分隔物和使電池單元短路和/或導致負電極的破碎和容量損失；（c）擴展循環上的金屬中的形態變化，其導致電池單元中的大的總體體積變化；以及(d)鈍化層的結構和組成的變化，鈍化層當被暴露到某些電解質時形成在金屬表面，該鈍化層可以隔離一些金屬和/或隨著時間推移提高電池單元的電阻。當高比容負電極諸如金屬用在電池中時，在常規系統內的容量增加的最大益處當也使用高容量正電極活性材料時被實現。例如，常規鋰嵌入的氧化物（例如，LiCo02、LiNi0.8Co0.15Al0.0502、Li1.1Ni0.3Co0.3Mn0.302)通常限于約280 mAh/g的理論容量（基于鋰化氧化物的質量）和180至250 mAh/g的實際容量，其與鋰金屬的特定容量3863 mAh/g相比是相當低的。針對其某一實際循環已被實現用于鋰離子正電極的最高理論容量是1168 mAh/g（基于鋰化材料的質量），其由Li2S和Li202共享。其他高容量材料包括BiF3(303 mAh/g，鋰化的)，FeF3(712 mAh/g，鋰化的)，LiOH·H20(639 mAh/g)及其他。不幸的是，所有這些材料在與常規氧化物正電極相比的較低電壓下與鋰反應，因此限制理論比能；然而，理論比能仍然非常高(>800 Wh/kg，與針對具有鋰負電極和常規氧化物正電極的電池單元的約500 Wh/kg的最大值相比)。圖1描繪示出對于使用不同比能的電池包的車輛可實現范圍對電池包重量的圖表2。在圖表10中，比能針對整個電池單元，包括電池單元封裝重量，假設對于從特定一組電池單元形成電池包的50%重量增加。對于位于車輛內的電池包，美國能源部已建立200 kg的重量限制。因此，僅具有大約600 Wh/kg或更多的電池包可以實現300英里的范圍。基于鋰的電池具有足夠高的比能(Wh/kg)和能量密度(Wh/L)，它們現在正被用在電動車輛中。然而，為了給具有幾百英里的范圍的全電動車輛供電，具有比本領域的目前狀態（具有石墨陽極和過渡金屬氧化物陰極的嵌入系統）更高的比能的電池是必要的。與當前利用的電池相比提供更高比能的一些選項是可能的。例如，圖2描繪了標識各種基于鋰的化學性質的比能和能量密度的圖表4。在圖表4中，僅電池單元的活性材料、集流器、粘結劑、分隔物和其他惰性材料的重量被包括。不包括封裝重量（諸如標簽、電池單元罐等）。如根據圖表4明顯的，使用鋰金屬負電極和減少硫以形成硫化鋰的正電極的鋰硫電池具有比本領域的目前狀態顯著更高的比能。存在必須為鋰硫系統成為商業可行而解決的重大挑戰。重要挑戰包括增加循環壽命(本領域的當前狀態是100到幾百循環；目標是>500，優選地>2000)，增加硫的利用率（典型的利用率由于通過電子絕緣的Li2S或Li2S2的正電極的鈍化而低于75%），增加正電極中的硫的質量分數（通常質量分數低于50%）和增加電池單元的倍率性能(目標放電率是1C或更高)。雖然文獻中描述的一些Li/S電池單元滿足針對循環壽命、比能和比功率的一些目標，但是這些電池單元中沒有一個充分解決如實現商業電池單元將需要的所有問題。因此，所需要的是，解決以上標識的問題中的一個或多個的固態電化學電池單元。
技術實現思路
根據一個實施例，一種固態電池包括：第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽極之間的第一固體電解質分隔物；第一基本層，包括定位在第一陽極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽極的第一橫向延伸部；第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽極之間的第二固體電解質分隔物；第二基本層，包括定位在第二陽極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及多路復用器，（i）通過第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和（ii）通過第二橫向延伸部與第二基本部分電通信。在一個或多個實施例中，電池包括：第一絕緣體，第一絕緣體定位在第一基本部分上方，并且沿著第一陽極的第一側、第一陰極的第二側和第一分隔物的第三側延伸；以及第二絕緣體，第二絕緣體定位在第二基本部分上方，并且沿著第二陽極的第四側、第二陰極的第五側和第二分隔物的第六側延伸。在一個或多個實施例中，電池包括第一傳導構件，從第一橫向延伸部向上延伸；以及第二傳導構件，從第二橫向延伸部向上延伸，其中：多路復用器通過第一橫向延伸部和第一傳導構件與第一基本部分電通信；多路復用器通過第二橫向延伸部和第二傳導構件與第二基本部分電通信；以及第二絕緣體定位在第一傳導構件和第二傳導構件之間。在一個或多個實施例中，第一傳導構件是第一基本層的向上延伸部分；以及第二傳導構件是第二基本層的向上延伸部分。在一個或多個實施例中，第一傳導構件是第一多路復用器引腳；以及第二傳導構件是第二多路復用器引腳。在一個或多個實施例中，第一電池單元堆疊具有第一最大厚度；第二電池單元堆疊具有第二最大厚度；以及第一最大厚度大于第二最大厚度。在一個或多個實施例中，第一側、第二側和第三側垂直于第一基本部分的上表面。在一個或多個實施例中，第一側、第二側和第三側不垂直于第一基本部分的上表面。在一個或多個實施例中，第一電池單元堆疊與第二電池單元堆疊串聯連接。在一個實施例中，一種形成固態電池的方法包括：提供第一電池單元堆疊，第一電池單元堆疊包括定位在第一陰極和第一陽極之間的第一固體電解質分隔物；定位第一基本層的第一基本部分在第一陽極正下方，第一基本層包括橫向延伸超出第一陽極的第一橫向延伸部；提供第二電池單元堆疊，第二電池單元堆疊包括定位在第二陰極與第二陽極之間的第二固體電解質分隔物；定位第二基本層的第二基本部分在第二陽極正下方，第二基本層包括橫向延伸超出第二陽極的第二橫向延伸部，使得第本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種固態電池，包括：第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽極之間的第一固體電解質分隔物；第一基本層，包括定位在第一陽極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽極的第一橫向延伸部；第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽極之間的第二固體電解質分隔物；第二基本層，包括定位在第二陽極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及多路復用器，（i）通過第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和（ii）通過第二橫向延伸部與第二基本部分電通信。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.08.27 US 61/8702691.一種固態電池，包括：第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽極之間的第一固體電解質分隔物；第一基本層，包括定位在第一陽極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽極的第一橫向延伸部；第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽極之間的第二固體電解質分隔物；第二基本層，包括定位在第二陽極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及多路復用器，（i）通過第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和（ii）通過第二橫向延伸部與第二基本部分電通信。2.權利要求1的電池，進一步包括：第一絕緣體，第一絕緣體定位在第一基本部分上方，并且沿著第一陽極的第一側、第一陰極的第二側和第一分隔物的第三側延伸；以及第二絕緣體，第二絕緣體定位在第二基本部分上方，并且沿著第二陽極的第四側、第二陰極的第五側和第二分隔物的第六側延伸。3.權利要求2的電池，進一步包括：第一傳導構件，從第一橫向延伸部向上延伸；以及第二傳導構件，從第二橫向延伸部向上延伸，其中：多路復用器通過第一橫向延伸部和第一傳導構件與第一基本部分電通信；多路復用器通過第二橫向延伸部和第二傳導構件與第二基本部分電通信；以及第二絕緣體定位在第一傳導構件和第二傳導構件之間。4.權利要求3的電池，其中：第一傳導構件是第一基本層的向上延伸部分；以及第二傳導構件是第二基本層的向上延伸部分。5.權利要求3的電池，其中：第一傳導構件是第一多路復用器引腳；以及第二傳導構件是第二多路復用器引腳。6.權利要求3的電池，其中：第一電池單元堆疊具有第一最大厚度；第二電池單元堆疊具有第二最大厚度；以及第一最大厚度大于第二最大厚度。7.權利要求3的電池，其中第一側、第二側和第三側垂直于第一基本部分的上表面。8.權利要求3的電池，其中第一側、第二側和第三側不垂直于第一基本部分的上表面。9.權利要求3的電池，其中第一電池單元堆疊與第二電池單元堆疊串聯連接。10.一種形成固態電池的方法，包括：提供第一電池單元堆疊，第一電池單元堆疊包括定位在第一陰極和第一陽極之間的第一固體電解質分隔物；定位第一基本層的第一基本部分在第一陽極正下方，第一基本層包括橫向延伸超出第一陽極的第一橫向延伸部；提供第二電池單元堆疊，第二電池單元堆疊包括定位在第二陰極與第二陽極之間的第二固體電解質分...

【專利技術屬性】
技術研發人員：J·F·克里斯滕森，B·舒曼，T·羅曼，
申請(專利權)人：羅伯特·博世有限公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE