[發明專利]用于固態電池的離子與電子混合導體

在審

• 申請號: 201880065312.7
• 申請日: 2018-08-07
• 公開（公告）號: CN111194494A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: J·坂本;T·湯普森;N·泰勒
• 申請（專利權）人: 密執安州立大學董事會
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 何焜;張鑫

公開了電化學設備，諸如鋰離子電池電極、鋰離子導電固態電解質以及包括這些電極和固態電解質的固態鋰離子電池。還公開了制造這種電化學設備的方法。還公開了用于固態電化學設備的復合電極。復合電極包括電極內的一個或多個分離相，其在電極活性材料相中提供電子和離子傳導路徑。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2017年8月7日提交的美國申請No.62/542,010的優先權。

關于聯邦資助研究的說明

本發明是在能源部授予的DE-AR0000653下由政府支持完成的。政府具有本發明中的某些權利。

背景技術

1.發明領域

本發明涉及電化學設備，諸如鋰離子電池電極，以及包括這些電極和固態電解質的固態鋰離子電池。本發明還涉及制造這種電化學設備的方法。特別地，本發明涉及一種用于固態電化學設備的復合電極，其中該電極在電極活性材料相中提供電子和離子傳導路徑。

2.相關技術說明

鋰離子(Li離子)電池技術顯著進步，預計到2019年市場規模將達到105億美元。該領域現狀，鋰離子電池包括兩個電極(一個陽極和一個陰極)、一種防止電極接觸但允許Li⁺離子通過的分離材料，以及一種電解質(含鋰鹽的有機液體)。在充電和放電過程中，Li⁺離子在電極之間交換。

目前，最先進的Li離子技術在小批量生產的插電式混合動力車和生態高性能車中使用；然而，電氣化動力系統的廣泛采用要求降低25％的成本，提高4倍的性能，而且更安全的電池，不存在起火的可能性。因此，未來的能量存儲需要更安全、更便宜、更高性能的能量存儲方式。

目前，在SOA鋰離子電池中使用的的液體電解質與先進的電池概念不兼容，諸如鋰金屬陽極或高壓陰極的使用。此外，在SOA鋰離子電池中使用的的液體是易燃的，在熱失控時容易燃燒。一種策略是開發固態電池，其中用一種傳導Li⁺離子并且可以提供3-4倍的能量密度的固體材料代替液態電解質，同時將電池包成本降低約20％。使用固體電解質代替SOA中使用的液體，實現先進的電池化學同時消除燃燒的風險。已經確定了幾種固體電解質，包括氮摻雜磷酸鋰(LiPON)或硫化物基玻璃，并已成立公司將這些類型的技術商業化。雖然在這些類型的電池的性能方面已經取得了進展，但是大規模的生產還沒有被證明，因為LiPON必須是氣相沉積的，并且硫化物玻璃在暴露于環境空氣中時會形成有毒的H₂S。因此，這些系統需要特殊的制造技術。

超導氧化物(SCO)也被提議在固態電解質中使用。盡管文獻中報道了幾種氧化物電解質，但由于必須同時滿足幾個標準，因此選擇特定的材料并非易事。結合SOA鋰離子電池技術基線，確定了以下指標：(1)導電率0.2mS/cm，與SOA鋰離子電池技術相當，(2)可忽略的電子導電率，(3)對高壓陰極和鋰金屬陽極的電化學穩定性，(4)高溫穩定性，(5)在環境空氣和濕度中的合理穩定性，以及(6)在小于50微米的厚度下被制造的能力。直到最近，都沒有SCO同時滿足上述標準。

在2007年，發現了在石榴石族超導氧化物中發現了高鋰離子導電率[參見，Thangadurai等人的Adv.Funct.Mater.2005,15,107；以及Thangadurai等人的Ionics2006,12,81]，利用基于Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)的SCO石榴石將導電率最大化[參見Murugan等人的Angew.Chem.Inter.Ed.2007,46,7778]。從那時起，已經示出LLZO可以滿足上述固體電解質所需的所有標準。