[发明专利]铸造和烧结生坯石榴石薄膜的方法和材料

说明书

本申请要求并享有于2015年7月21日提交的、题为“PROCESSES AND MATERIALS FOR CASTING AND SINTERING GREEN GARNET THIN FILMS”的美国临时专利申请号62/195,172的优先权，所述临时申请的内容通过引用其整体并入本文用于所有目的。

发明领域

本发明涉及无机薄膜(例如，生带或由生带制得的烧结膜)的前体，使用所述这些前体制作烧结的薄膜的方法，以及通过本发明所述方法制得的烧结薄膜。在一些实施例，由本发明所述方法制得的烧结薄膜用作可充电电池中的固体电解质。在许多实施例中，本发明所述并用于制作烧结薄膜的所述生带具有比已知生带更高的固体载量。由本发明方法制得的烧结薄膜具有比已知烧结薄膜更低的孔隙率、更高的密度、更少的缺陷、和/或更高的制备产率。

发明背景

固态陶瓷，诸如锂填充石榴石材料和锂的硼氢化物、氧化物、硫化物、卤氧化物和卤化物，在用于包括燃料电池和可再充电电池的各种电化学装置中的离子导电电解质膜和隔板的材料方面具有几个优点。当与其基于液体的对应物相比时，上述固体陶瓷具有安全和经济方面的优点以及与材料的固态和密度相关的优点，这使得当所述这些材料作为电解质隔板被纳入电化学装置中时相应地具有高的体积和重量能量密度。固态离子导电陶瓷由于其在固态中的高离子导电性、其电绝缘性以及其与各种物质如锂金属的化学相容性和其对于宽电压窗口的稳定性，因此非常适用于固态电化学装置。

尽管固态离子导电陶瓷具有一系列有利和有益的性能，但这些材料遭遇了与形成生膜(即生带)并随后烧结所述这些生膜有关的一系列问题。当固态离子导电陶瓷通常配制成薄膜并烧结时，所述这些膜具有粘附至制备其的衬底上的倾向，从而由于加工条件而破裂或翘曲，或者在烧结后太脆而不能处理和操作。尤其，在薄膜烧结过程中，所述这些膜具有破裂、翘曲或以其他方式具有表面劣化的倾向。

因此，在与铸造陶瓷例如但不限于石榴石和硫化锂的生带和烧结所述这些生带以制备高密度石榴石薄膜有关的相关领域中存在一系列问题。在相关领域需要的是，譬如，用于铸造生带并用于烧结所述生带的新材料和方法。除了制作和使用此类材料和方法外，本发明还阐述了此类材料和方法以及所述这些材料和方法在相关领域中的问题的其他解决方案。

发明摘要

在一个实施方案，本发明涉及铸造薄膜带的方法，其中所述方法通常包括提供至少一种源粉，改性所述至少一种源粉以制备改性源粉，提供所述改性源粉的浆体，铸造所述浆体以形成生带，干燥所述生带；和烧结所述生带以形成烧结的薄膜。

在第二实施方案，本发明涉及用于铸造生带的浆体，其中所述浆体包括源粉，任选地所述源粉的前体，和选自粘合剂、分散剂和溶剂的至少一个成员。

在第三实施方案，本发明涉及烧结生带的方法，所述方法包括：(a)提供至少一种源粉；(b)改性所述至少一种源粉以制备改性源粉；(c)提供所述改性源粉的浆体；(d)铸造所述浆体以形成生带；(e)干燥所述生带；和(f)烧结所述生带；从而使生带烧结。

在第四实施方案，本发明涉及用于制备流延生膜的浆体，所述浆体包含：

以下中的至少两种或更多种：

溶剂，所述溶剂选自由甲醇、乙醇、MEK、异丙醇、丙酮、环己酮、甲苯、乙酸、和苯组成的组；

粘合剂，所述粘合剂选自由鱼油、PVB、KD1、丙烯酸、triton、磷酸酯类、和其衍生物组成的组；

增塑剂，所述增塑剂选自由邻苯二甲酸丁苄酯或邻苯二甲酸二丁酯组成的组；

pH调节剂；

选自组中的烧结助剂；和

选自锂填充石榴石的源粉。

在第五实施方案，本发明涉及生带，其包含：

源粉；

溶剂；

粘合剂；和

分散剂；

其中所述生带具有大于3.9且小于5.0g.cm³的测比重密度(picnometry density)。

在第六实施方案，本发明涉及制作生带的方法，其包括以下步骤：(a)提供浆体；(b)提供粘合剂混合物；(c)将所述浆体与所述粘合剂混合物混合以形成混合的浆体；和(d)铸造所述混合的浆体以提供生带，其中所述生带具有约10-25％w/w的总有机物含量。

附图简要说明

图1示出了根据本发明所述方法的实施方案的示例流程图。