[发明专利]全固态锂电池

说明书

提供了包括固态电池材料并且根据温度调节其内阻的全固态锂电池。所述全固态锂电池可以包括：固态电解质；至少两个极柱，用于在第一温度(T₁)和第二温度(T₂)之间的全固态锂电池的温度范围内以一级内部电阻(R₁)操作所述全固态锂电池；至少一个高电阻极柱，用于在T₁或T₂之外的第二级内部电阻(R₂)操作所述全固态锂电池；以及开关，当所述全固态锂电池的温度超出T₁或T₂之外时，激活R₂。所述全固态锂电池可以被配置为包括埋入在全固态锂电池的单元内并且电连接到至少一个高电阻极柱的至少一个电阻器片。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2014年12月1日提交的美国临时申请No.62/086,084和62/086,016的权益。

技术领域

本发明涉及可充电电池，更具体地说，涉及由固态电极材料和固态电解质组成的能够从环境温度快速升温至电池最佳工作温度的可充电电池。这种电池具备更高的能量密度、功率密度、安全性和/或热管理特征，并且可用于消费品电子、车辆和电网储能。

背景技术

全固态锂电池(ASLB)使用固态电解质如固态聚合物、无机锂离子导体或单离子导体，锂金属作为阳极，这些电池比使用液态电解质的锂离子电池表现出更高的能量密度。此外，固态电解质是不易燃的并且阻止锂金属的枝晶生长，从而提供大为改善的安全性。

然而，全固态锂电池通常在室温下受电解质的低离子导电率限制。因此，全固态锂电池在室温下产生低功率至无功率输出，需要高温(例如60-80℃)以有效地工作。在某些情况下，全固态锂电池可能必须在更高的温度下运行以提高其动力学和传递性能，以便同时产生高功率和高能量密度，并且便于由电池和环境之间的大温差驱动的散热。

美国专利申请公开号US2014/0342194公开了具有多个内电阻的可充电电池。该出版物公开了当电池的内部温度低于最佳温度时，可以将电池配置为在更高的电阻状态操作，从而加热电池并提高电池性能。

然而，即使在低环境温度下工作，仍然需要快速有效地提高全固态锂电池的工作温度。此外，优选在电化学界面处升高反应温度以使全固态锂电池产生电力。

发明内容

本公开涉及能够快速且有效地提高电池温度的全固态锂电池，例如将温度从环境条件升高到最佳工作温度范围。本发明的一个优点是设计为使其内部电阻根据电池温度而变的全固态锂电池。这种机制可能导致在环境温度下运行的ASLB中的内部温度迅速升高。在本公开的某些方面，可变内阻的ASLB包括嵌入常规ASLB的电极-电解质片的堆叠或卷内的一个或多个电阻片，并且具有用于操作电池的三个极柱：正极柱、负极柱和高电阻极柱，例如高电阻负极柱。

这些和其它优点至少部分地由全固态锂电池满足，所述全固态锂电池包括：固态电解质；至少两个极柱，例如，至少一个负极柱和至少一个正极柱，用于在第一温度(T₁)和第二温度(T₂)之间的全固态锂电池的温度范围内以一级内部电阻(R₁)操作所述全固态锂电池；至少一个高电阻极柱，用于在T₁或T₂之外的第二级内部电阻(R₂)操作所述全固态锂电池；以及开关，当所述全固态锂电池的温度超出T₁或T₂之外时，启动R₂。可充电电池可以具有更多的电阻水平，例如与第三温度(T₃)或第三温度范围(T₃，T₄)相关联的第三电阻水平(R₃)等等。