[发明专利]固态电池的分段式电池单元架构

说明书

本文公开了电化学装置，如锂离子电池电极、锂离子导电固态电解质以及包括这些电极和固态电解质固态锂离子电池。还公开了制造这类电化学装置的方法。具体地，本文公开了能够使固态电池具有柔性并且能够实现卷曲或折叠的堆叠结构的分段式电池单元架构。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月1日提交的美国专利申请号62/289,559的优先权。

关于联邦资助研究的声明

不适用。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及电化学装置，如锂离子电池电极、锂离子导电固态电解质以及包括这些电极和固态电解质的固态锂离子电池(battery)。该发明还涉及制造这类电化学装置的方法。更具体地，本发明涉及能够使固态电池具有柔性并且能够实现卷曲或折叠的堆叠结构的分段式电池单元(cell)架构。

2.相关领域描述

锂离子(Li-ion)电池技术已取得显著进步，预计到2019年市场规模将达到105亿美元。当前最先进技术的锂离子电池包括两个电极(阳极和阴极)，避免电极接触但是允许Li⁺离子通行的分隔物材料，以及电解质(其是具有锂盐的有机液体)。在充电和放电期间，Li⁺离子在电极之间交换。

最先进技术的锂离子技术目前被用于小批量生产的插电式混合动力车和小众高性能车辆；然而，电动动力系统的广泛采用要求成本降低25％，性能提高4倍以上和无起火可能的更安全的电池。因此，未来的能量存储需要更安全、更便宜和更高性能的能量存储方式。

一种策略是开发固态电池，其中液体电解质被替换为对Li⁺离子具有传导性并且可以提供3-4倍能量密度的固体材料，同时将电池组的成本降低约20％。尽管有这些吸引人的特点，但是尚未见到供于批量规模应用(如电动汽车)的固态电池的制造和测试。与固态电池相关的主要挑战是开发用于薄陶瓷层以及将这些层组装成新型电池单元架构的新制造技术。

无论可以通过何种方式形成固态电池的每一层，这些层必须以某一架构被组装。目前基于液体的技术把电池的各部分(阳极、分隔物和阴极)层叠成堆叠物，然后卷曲或折叠该堆叠物。这类卷曲或折叠的堆叠架构要求各层是柔性的并且能够显著弯曲。因为用于典型的固态电池的层并不像目前基于液体的技术的层那样具有柔性，所以尚不可能实现卷曲或折叠架构。

因此，需要能够使固态电池具有柔性并且能够实现卷曲或折叠的堆叠结构的新型电池单元架构以及其制造方法。

发明概述

本公开报道了分段式电池单元架构，其能够使固态电池具有柔性并且能够实现卷曲或折叠的堆叠结构。本公开也提供了形成用于固态电池的分段式电池单元架构的方法。

在一方面，本发明提供了电化学装置，其包括负极、正极和位于负极和正极之间的固态电解质。负极或正极之一或两者可以包括嵌入结构基质内的区段的阵列(array ofsegments)。阴极或正极的区段可以包括锂主体材料。结构基质可以包括柔性材料。结构基质可以包括聚合材料。聚合材料可以选自聚烯烃、聚苯乙烯、二乙烯基苯和苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。结构基质可以包括聚丙烯或聚乙烯。在电化学装置中，阳极可以包括嵌入结构基质内的区段的阵列，并且锂主体材料可以选自石墨、锂金属、锂钛氧化物、硬碳、锡/钴合金或硅/碳。在电化学装置中，阴极可以包括嵌入结构基质内的区段的阵列，并且锂主体材料选自锂金属氧化物，其中所述金属是一种或多种铝、钴、铁、锰、镍和钒，以及具有通式LiMPO₄的含锂磷酸盐，其中M是钴、铁、锰和镍中的一种或多种。锂主体材料可以选自锂锰镍氧化物。锂主体材料可以选自锂钛氧化物。