[發明專利]陽極室密封的強化電池組件

有效

• 申請號: 201680018346.1
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN107580733B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: L·G·約翰遜
• 申請（專利權）人: 約翰遜IP控股有限公司
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/70;H01M4/13;H01M10/052;H01M10/0562;H01M10/0585
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 姜龍;翁霞

一種固態電池組電池，其具有由非導電材料形成的框架。該框架具有框架厚度(Tf)。由框架包圍并完全在框架內的電池芯具有電池芯厚度(Tc)。電池芯包括至少一個陽極、至少一個陰極和至少一個陽極和至少一個陰極之間的至少一個電解質層。至少一個電池芯膨脹容納凹部被框架包圍并完全在框架內。至少一個電池芯膨脹容納凹部限定一個內部電池體積，電池芯在內部電池體積中是可膨脹和可收縮的。在電池充電和/或電池放電循環期間，電池芯厚度(Tc)小于或等于框架厚度(Tf)。

相關申請的交叉引用

本申請涉及于2015年3月25日提交的美國臨時專利申請No.62/137,991，其全部內容通過引用并入本申請，并提出了臨時申請的較早申請日。

背景技術

(1)技術領域

本發明涉及用于電化學電池的電池組件(battery package)。更具體地，本發明涉及一種具有陽極室的電池組件，該陽極室用于容納鋰基陽極并適應隨某些陽極組成(formulations)發生的陽極體積變化。

(2)相關技術描述

本發明涉及固態鋰電池組的封裝(packing)。由在20世紀70年代開發并在20世紀80年代銷售的早期固態鋰電池組不再生產。這些電池包括鋰金屬陽極，碘化鋰和Al2O3的分散相電解質，以及作為陰極的金屬鹽。Li/LiI(Al2O3)/金屬鹽結構是真正的固態電池組(battery)，但該電池組不可再充電。

目前，使用液體電解質的鋰離子電池組化學物質提供了最好的已知性能，并已成為所有電池化學物質中最廣泛使用的。鋰離子電池由鑄造在薄(～10μm)鋁箔集電器上的厚(～100μm)多孔復合陰極組成。復合陰極通常包含作為活性材料的鈷酸鋰LiCoO2，由于其高容量和良好的循環壽命，和炭黑，使整個層具有導電性。一個薄聚合物隔板在陰極和碳基陽極之間提供電隔離，在充電循環期間插入Li。電池浸泡在液體電解質中，其在充電和放電期間在陰極和陽極之間為輸送Li離子提供非常高的導電率。由于厚的復合陰極是多孔的，所以液體電解質被吸收并填充到結構中，從而與LiCoO2活性材料進行極好的表面接觸，并允許以最小的阻抗將Li離子快速傳輸到整個電池中。

液體電解質本身由溶劑混合物中的Li鹽(例如，六氟磷酸鋰，LiPF6)組成，通常包括碳酸亞乙酯和其它直鏈碳酸酯,如碳酸二甲酯。盡管能量密度和循環壽命有所改善，但含有液體電解質的電池仍然存在幾個潛在的問題。例如，液體電解質通常是揮發性的，并且在高充電率、高放電率和/或內部短路條件下經受壓力積聚、爆炸和起火。另外，以高速率進行充電可以在陽極表面上引起枝晶鋰生長。所產生的枝晶可以延伸穿過隔板并導致電池短路。此外，電池的自放電和電池效率受到液體電解質的副反應和陰極的腐蝕的限制。最后，如果由于過電壓或短路條件電池過熱，液體電解質也會產生危險，造成另一種潛在的火災或爆炸危險。

由于在諸如液體和固體聚合物電解質的有機電解質材料之間形成的鈍化反應和不穩定的界面，開發使用無機固體電解質材料的可再充電固態鋰基電池組是長期以來的目標。在20世紀90年代初，第二類型全固態電池組在橡樹嶺國家實驗室(the Oak RidgeNational Laboratories)開發，橡樹嶺伯特利谷路1號(1Bethel Valley Rd，Oak Ridge)TN37831。這些電池由陰極、無機電解質和陽極材料的薄膜組成，使用真空沉積技術沉積在陶瓷基底上，包括用于陰極和電解質的RF濺射和Li金屬陽極的真空蒸發。電池的總厚度通常小于10μm：陰極的厚度小于4μm，固體電解質的厚度約為2μm(恰好足以提供陰極和陽極的電隔離)和Li陽極的厚度約2μm。由于通過物理氣相沉積技術提供強化學鍵合(在每層內和在電池的層之間)，所以這些電池的傳輸性能優異。雖然固體電解質鋰磷氮化物LiPON的導電率僅為2×10^-6S/cm-1(比在早期的電池組中使用的LiI(Al2O3)固體電解質的電導率低50倍)，2μm的薄層的阻抗非常小，允許非常高的速率能力。然而，基于這種技術的電池組是制造非常昂貴的，非常小，并且容量非常低。