[發明專利]用于鋰金屬固態電池的改性固態電解質

在審

• 申請號: 202110023716.3
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN113113663A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 安德魯·羅伯特·德雷斯;阿斯馬·沙拉菲
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 魯恭誠;田碩

本公開提供“用于鋰金屬固態電池的改性固態電解質”。根據一個或多個實施例，一種固態電池包括：陰極；包括鋰金屬的陽極；以及在所述陰極與所述陽極之間的無機陶瓷多晶隔膜。所述隔膜包括離子傳導體相的晶粒和在所述晶粒之間限定的晶界，其中所述晶界包含氧化劑。所述氧化劑被配置為使所述鋰金屬氧化，所述鋰金屬經由在所述陽極上鍍所述鋰金屬而產生的在所述晶界處的鋰金屬成核或沿著所述晶界的枝晶生長而與所述氧化劑接觸，以形成電子絕緣相從而防止沿著所述晶界形成電子傳導路徑。所述氧化劑還被配置為在所述鋰金屬氧化時部分地還原，以形成離子傳導相從而促進沿著所述晶界的離子傳導。

技術領域

本公開涉及用于鋰離子電池的組分和結構，并且具體地涉及固態電池中的固體電解質。

背景技術

低成本和高性能電動車輛(EV)的大規模采用已經導致對具有高能量密度的電池技術的廣泛研究和開發。基于堿金屬-離子嵌入陰極和陽極的電池諸如鋰離子電池(LIB)已被廣泛用于EV中。使用石墨陽極的常規LIB的理論容量為874mAh/cm³，其接近能量密度的實際極限，并且低于廣泛采用EV所需的能量密度。

因此，由于使用具有高理論充電容量(2046mAh/cm³)和低負電化學電位(與常規的氫電極相比為-3.04V)的Li金屬陽極電極，鋰金屬電池已被認為是用于EV的可能的高能量密度電池。然而，鋰金屬電池可能在充電期間形成鋰枝晶，并且可能具有低庫侖效率，這阻礙了Li金屬陽極的實際應用。對鋰枝晶的抑制和控制可以改善電池的性能和循環壽命。

使得能夠使用鋰金屬陽極的常規方法是通過采用固態電解質(SSE)代替多孔聚合物隔膜和液體電解質來機械地抑制Li枝晶的形成。因此，SSE充當枝晶滲透的物理屏障。然而，即使對于陶瓷SSE電池單元，內部短路也已被證實仍然會形成，并引起電池的自放電。一些研究已表明，有效的SSE將需要具有兩倍于Li金屬的剪切模量(4.2GPa)以機械地抑制Li枝晶傳播。然而，對剪切模量以此2倍以上超過Li金屬的剪切模量的各種SSE的研究可能顯示出在低電流密度下極化電壓的突然下降，這表明可能已經形成短路。在某些情況下，鋰金屬沿著晶界的傳播可以指示與體相相比晶界處更高的離子或電子傳導率。在這種情況下，電子和Li離子可能在SSE主體內的位置處結合，這可能導致Li金屬在晶界處而不只是在SSE的鍍層側處的形成和傳播。因此，需要替代策略來關于固態電解質隔膜抑制和控制枝晶。

發明內容

根據一個或多個實施例，一種固態電池包括：陰極；包括鋰金屬的陽極；以及在所述陰極與所述陽極之間的無機陶瓷多晶隔膜。所述隔膜包括離子傳導體相的晶粒和在所述晶粒之間限定的晶界，其中所述晶界包含氧化劑。所述氧化劑被配置為使所述鋰金屬氧化，所述鋰金屬經由在所述陽極上鍍所述鋰金屬而產生的在所述晶界處的鋰金屬成核或沿著所述晶界的枝晶生長而與所述氧化劑接觸，以形成電子絕緣相從而防止沿著所述晶界形成電子傳導路徑。所述氧化劑還被配置為在所述鋰金屬氧化時部分地還原，以形成離子傳導相從而促進沿著所述晶界的離子傳導。