可充電、高密度的電化學設備制造技術

公開了可充電的、高密度的電化學設備。這些電化學設備可，例如，包括高能量密度，在沒有任何液態或凝膠型電池組件的情況下，相比其他電池，可在給定、受限的體積中存儲更多能量，且仍表現出可接受的功率或電流率容量。特定實施例可涉及，例如，除了陰極之外的所有電池組件具有較小的體積或質量，同時在正陰極內獲得較高的電化學有效質量。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及可充電、高密度的電化學設備。特定地，本專利技術的特定實施例涉及，例如，具有高能量密度的全固態、可充電電池，且在沒有任何液態、或凝膠型電池組件的情況下，其具有在有限體積中存儲更多能量的容量并仍顯示出可接受的功率或電流率能力。
技術介紹
通過正陰極和負陽極來界定可充電和不可充電電池的容量。在使用可基于硅或錫的金屬鋰陽極(如，在Li-MnO2紐扣電池中)或大容量(capacity rich) Li-離子陽極時，電池的容量受控或受限于正陰極的特定容量(用mAh/g或mAh/ccm計量)。減少所有其他電池組件的體積，這對于小電池而言是最有用的，或者減少所有其他電池組件的質量，這對于較大電池(如，在電動車中)而言是最有用的，而對于給定陰極-陽極化學，同時增加正陰極內電化學有效質量是增加能量密度(例如，用Wh/liter來計量)最有效的方法。增加正陰極內電化學有效質量意味著減少陰極中的任何輔助相(諸如機械粘合劑(binder )、或離子或電子傳導增強劑(enhancer ))、或使得該陰極對于給定陰極面積而言更厚。當陰極厚度變得非常大(》20 μ m)時由于限制的擴散運動和相關聯的受限的電流率或功率容量，高能量密度室溫電池，諸如手機和膝上計算機電池，需要高傳導、基于液態有機溶劑的鋰離子電解液來刺穿這些電池的陰極。然而，液態有機溶劑的存在是這樣的電池在最近二十年所經歷的最多的問題的起源，問題諸如，例如，一旦分解的熱逸出、或一旦遇到與熱有關的故障引起的斷路、一旦遇到特定電池故障模式引起的火/氣味/煙/爆炸、早期電化學循環中的氣體析出和壓力增大、受限于300-1000次循環的充放電循環、受限的操作溫度范圍(在很多情況下是0° C — 60° C)、以及其他。此外，約束揮發性液態有機溶劑要求特定的封裝體系架構和電池封裝，其經常配備有孔或閥門避免在早期電化學循環過程中的電池過壓。在這個行業中需要具有更高能量密度的電池。特定地，存在對于全固態可充電電池的需要，其沒有用于在有限體積中存儲更多能量的任何液態或凝膠型電池組件，仍然顯示出可接受的功率和/或電流率能力。這導致更安全的電池且允許使用簡化的封裝，以及操作與存儲的更高更低的溫度范圍。專利技術概述本專利技術的特定示例性實施例可包括對于給定陰極-陽極化學，具有較高能量密度的電池。如下文進一步詳細討論地，特定實施例可涉及，例如，除了陰極之外的所有電池組件具有較小的體積或質量，同時在正陰極內獲得較高的電化學有效質量。具有正復合陰極的可充電電化學設備的實施例可包括固態電化學活性材料、在電化學活性材料被初始化充電前具有的電子傳導率比所述電化學活性材料的電子傳導率至少高出三倍(three times higher than)的固態導電材料、和在電化學活性材料被初始化充電前具有的離子傳導率比所述電化學活性材料的離子傳導率至少高出三倍的固態、無機、離子傳導的材料?？蛇x地，具有正復合陰極的可充電電化學設備的實施例可包括至少一個固態電化學活性材料、不同于該電化學活性材料的至少一個固態、離子傳導的材料、且可不包含液態或膠狀溶劑?？沙潆婋娀瘜W設備的可選實施例可包括固態正陰極、負陽極、和夾在該陰極和該陽極之間的固態電解質；其中該電化學設備包含單個電化學電池，其基于正陰極的幾何占用面積(footprint)優選地具有例如,至少2mAh/cm2的額定容量。附圖說明圖I示出可被用于手機中的示例性Li-離子或Li-聚合物電池的截面圖。 圖2示出具有三個固相的示例性電化學設備，包括電化學活性陰極材料、離子傳導率增強劑、和電子傳導率增強劑。圖3示出具有兩個固相的示例性電化學設備，包括電化學活性陰極材料、和電子傳導率增強劑。具體實施例方式要理解本專利技術不限于在此所描述的特定方法學、混合物、材料、制造技術、用途、以及應用，因為這些可有變化。還要理解本文中所使用的術語僅出于描述特定實施的目的，而不旨在限定本專利技術范圍。必需注意到，如本文以及所附權利要求書中所使用地，單數形式的“一”、“一個”以及“該”包括復數引用，除非上下文另外明確地指出相反情況。因此，例如對“一個要素”的引用是對一個或多個要素的引用，并包括本領域內技術人員所熟知的其等效物。同樣，對于另一示例，對“一個步驟”或“一個裝置”的引用是對一個或多個步驟或裝置的引用，并可包括子步驟或輔助性裝置。所使用的所有連接詞要以可能的最大涵蓋方式來理解。因此，詞語“或”應當理解為具有邏輯“或”的定義而非邏輯“異或”的定義，除非在上下文中另外明確指出相反情況。本文中所描述的結構應理解為也提及這種結構的功能性等效物?？山忉尀楸硎窘频恼Z言應當如此理解，除非上下文中另外明確指出相反情況。除非另外定義，否則在本文中所使用的所有技術和科學術語具有與本專利技術所屬
的一名普通技術人員所通常理解相同的含義。描述了優選方法、技術、裝置和材料，但是在本專利技術的實踐或測試中可使用與那些所描述的相似或等效的任何方法、技術、裝置、或材料。本文中所描述的結構應理解為也提及這種結構的功能性等效物。通過引用結合于本文中的所有專利和其它出版物出于描述和公開的目的，舉例而言在這種出版物中描述的方法學可與本專利技術相結合而使用。在本專利技術的申請日之前，這些出版物單獨地提供其公開內容。在這一點上不能解釋為承認專利技術人不具備資格由于現有專利技術或者出于任何其它原因預料這種公開內容。本專利技術的特定實施例，例如，包括全固態、高能量密度電池組，其與傳統的手機電池和紐扣電池不同，不含有任何液態或膠狀組件。膠狀組件包括，例如，具有如此高的粘性以使它們不像常見液體那樣流動的溶劑。可通過各特征的組合完成較高的能量密度，特征諸如是，例如I.在最大化每單元陰極面積的陰極厚度的同時，將充電和放電電流能力維持在可接受的性能極限內；2.優化陰極內部的電化學有效質量的載荷或體積百分比，這可包括復合的而非單相電化學活性材料來構成陰極體積的100% ；3.使用包含全固態鋰離子傳導和電子傳導增強相的合成電化學活性材料；和/或4.最小化所有其他電池組的組件(諸如襯底、電解質、負陽極、電流集電器、和端子以及封裝)的體積分數。 關于第I項，本專利技術的特定實施例，例如，可包括具有約100-1000 μ m陰極厚度的電化學設備，而手機類型電池的陰極厚度可，例如約100 μ m。關于第2項，示例性電化學設備可優選地使用高于約50%體積比的電化學活性材料的載荷。為了增強電池的功率和電流率能力(第I項和第3項)，合成陰極的剩余例如50%的體積比可由兩種材料填充(a)鋰離子傳導增強材料，在制造和電池操作和存儲過程中，該材料與電化學活性陰極材料是化學穩定的，同時表現出的離子傳導率比電化學活性材料的離子傳導率至少高出三倍；和(b)電子傳導增強材料，其具有的電子傳導率比電化學活性材料的電子傳導率至少高出三倍。關于第4項，本專利技術的特定實施例的設備可被配置為，除了其他部件外，具有(i)較薄的金屬陰極電流集電器，諸如，例如IOym Al箔，其還用作任選的襯底(或如果正陰極沿其可連接正端子的外部表面具有足夠的傳導率，則沒有這樣的電流集電器)；(ii)較薄的電解質，諸如，例如，1-3 μ m厚的Lipon ;和(iii)較薄的金屬陰極,諸如,例如10-50μηι的金屬鋰。使用易于本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.07 US 61/352,0821.一種可充電的電化學設備，包括 正復合陰極，所述正陰極包括 固態電化學活性材料，包括在所述電化學活性材料的預充電狀態中的電子傳導率和離子傳導率； 固態電子傳導材料，在其預充電狀態中包括的電子傳導率比所述電化學活性材料的所述電子傳導率至少高出三倍，和 固態、無機、離子傳導材料，在其預充電狀態中包括的離子傳導率比所述電化學活性材料的所述離子傳導率至少高出三倍。2.—種可充電的電化學設備,包括正復合陰極，包括 包括電子傳導率和離子傳導率的固態電化學活性材料；和 固態、離子傳導的材料，包括與所述電化學活性材料不同的材料； 其中所述電化學設備不包含液態且所述電化學設備不包含凝膠溶劑。3.如權利要求I所述的電化學設備，其特征在于，所述電化學活性材料，相比所述正復合陰極中的任何其他材料，為所述正復合陰極提供更多的電子傳導率。4.如權利要求2所述的電化學設備，其特征在于，所述電化學活性材料，相比所述正復合陰極中的任何其他材料，為所述正復合陰極提供更多的電子傳導率。5.如權利要求2所述的電化學設備，其特征在于，還包括電子傳導材料，在其預充電狀態中，包括的電子傳導率比所述電化學材料的所述電子傳導率至少高出三倍。6.如權利要求2所述的電化學設備，其特征在于，所述離子傳導材料具有的離子傳導率比所述電化學活性材料的離子傳導率至少高出三倍。7.如權利要求2所述的電化學設備，其特征在于，所述離子傳導材料是與所述電化學活性材料一樣的材料。8.如權利要求2所述的電化學設備，其特征在于，還包括固態電解質，所述固態電解質不包括液態且不包括膠狀溶劑。9.一種可充電的電化學設備,包括 固態正陰極， 負陽極，和 夾在所述陰極和所述陽極之間的固態電解質； 其中基于所述正陰極的幾何占用面積，所述電化學設備具有至少2mAh/cm2的額定容量。10.如權利要求9所述的電化學設備，其特征在于，所述陰極僅包括固態電化學活性相。11.如權利要求9所述的電化學設備，其特征在于，基于所述正陰極的幾何占用面積，所述電化學設備具有至少4mAh/cm2的額定容量。12.如權利要求9所述的電化學設備，其特征在于，基于所述正陰極的幾何占用面積，所述電化學設備包括至少5mAh/cm2的額定容量。13.如權利要求9所述的電化學設備，其特征在于，基于所述正陰極的幾何占用面積，所述電化學設備包括至少17mAh/cm2的額定容量。14.如權利要求9所述的電化學設備，其特征在于，在其可逆性范圍內，所述電化學設備在少于30小時內可被完全充電。15.如權利要求9所述的電化學設備，其特征在于，在其可逆性范圍內，所述電化學設備在少于10小時內可被完全充電。16.如權利要求10所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·W·斯奈德，B·J·紐德克爾，
申請(專利權)人：無窮動力解決方案股份有限公司，
類型：
國別省市：