[发明专利]用于工程固态电池界面的经涂覆的阴极活性材料

说明书

一种固态锂离子电池包括阳极、阴极和分离器。阴极包括活性材料、阴极电解质材料，以及仅仅涂覆活性材料的屏障层。屏障层被配置成物理地隔离活性材料以免与阴极电解质材料直接接触，并且离子性地连接活性材料与阴极电解质材料。分离器位于阳极和阴极之间，并且被配置成离子性地连接阳极和阴极并且电子性地隔离阳极和阴极。

本申请要求2016年9月16日提交的、序列号为62/395,491的美国临时申请的优先权权益，所述临时申请的公开内容通过引用以其全部被并入本文。

技术领域

本公开内容涉及锂离子电池的领域，并且特别地涉及固态锂离子电池。

背景技术

可再充电的锂离子（“Li-离子”）电池由于其与其它电化学能量存储设备相比的高比能所以是用于便携式电子器件以及电动车辆和混合动力车辆的具有吸引力的能量存储系统。典型的锂离子电池单元包含负电极、正电极、以及在负和正电极之间的分离器区。两个电极都包含活性材料，所述活性材料嵌有锂或与锂可逆地起反应。在一些情况中，负电极可以包括锂金属，其可以被电化学地可逆地溶解以及沉积。分离器典型地包含具有锂阳离子的电解质，并且充当电极之间的物理屏障，使得电极中没有任何一个被电连接在单元内。

固态锂离子电池在电极和/或分离器中包含电解质，所述电解质在电池的运作温度下是固态的。与包含液体电解质的常规锂离子电池形成对照，固态锂离子电池具有若干优点。通过固态电解质来替代液体电解质使得有可能例如降低热逃逸的风险，并且增大电池的安全性和循环稳定性。

利用固态电解质来替代液体电解质典型地降低阴极的能量存储容量。例如，最已知的固态锂离子电池具有显著的界面问题，诸如在阴极和阴极电解质之间的降级和高电阻。

出于至少这些原因，在固态锂离子电池的领域方面的进一步发展是合期望的。

发明内容

根据本公开内容的示例性实施例，一种固态锂离子电池包括阳极、阴极和分离器。阴极包括活性材料、阴极电解质材料，以及仅仅涂覆活性材料的屏障层。屏障层被配置成物理地隔离活性材料以免与阴极电解质材料直接接触，并且离子性地连接活性材料与阴极电解质材料。分离器位于阳极和阴极之间，并且被配置成离子性地连接阳极和阴极并且电子性地隔离阳极和阴极。

根据本公开内容的另一示例性实施例，固态能量存储设备的经涂覆的阴极包括阴极电解质材料、活性材料和屏障层。活性材料散布贯通阴极电解质材料。屏障层涂覆阴极电解质材料与活性材料中之一。屏障层被配置成物理地隔离活性材料以免与阴极电解质材料直接接触，并且离子性地连接活性材料与阴极电解质材料。经涂覆的阴极电极，其在本文中也被称为复合阴极，还可以包括电子性导电的添加剂，诸如碳黑和/或碳纤维，以及聚合物粘合剂（例如PVDF）。

附图说明

图1是如本文中所公开的固态锂离子电池单元的横截面框图，所述固态锂离子电池单元包括涂覆有屏障层的阴极活性材料，经涂覆的阴极活性材料如与电池的其它组件相比以极大地经放大的状态被示出以用于解释性的目的；

图2A是一横截面框图，其图示了图1的电池单元的阴极活性材料、屏障层和离子性导电材料；

图2B是一图表，其图示了阴极活性材料和屏障层材料的合适性；

图3是一图表，其图示了用于某些屏障层材料的稳定性计算；

图4是锂（“Li”）、硫（“S”）和磷（“P”）的相图，其示出了具有稳定电化学状态的化合物/材料；

图5是一图解，其图示了所期望的离子和电子传输参数；

图6A和6D示出了未经涂覆的镍钴锰氧化物（“NCM”）——其是示例性的阴极活性材料——的扫描电子显微镜视图，图6B、6C、6E和6F示出了被涂覆有示例性屏障层材料的NCM，所述示例性屏障层材料作为Li₃PO₄被提供；