[发明专利]固态电池的稳定化涂层

说明书

本公开涉及用于形成固态电池中所用的固态电解质、电极、集电器和/或导电添加剂的方法。在一个形式中，该方法包括在粉末状电解质材料、或粉末状电极材料、或粉末状导电添加剂材料上沉积稳定化涂层，并形成包含该经涂覆的材料的浆料。然后将浆料浇铸在表面上以形成层，并将该层烧结以形成固态电解质、或电极、或具有该导电添加剂的电极。

相关申请的交叉引用

本发明要求2016年10月7日提交的美国专利申请第62/405,515号的优先权。

关于联邦资助研究的声明

无

技术领域

本发明涉及电化学装置，例如锂离子电池电极、锂离子传导固态电解质、以及包括这些电极和固态电解质的固态锂离子电池。本发明还涉及制造这种电化学装置的方法。

背景技术

锂离子(Li-ion)电池技术已取得显著进步，到2019年市场规模预计为105亿美元。目前最先进(State of the art))的锂离子电池包括两个电极(阳极和阴极)、避免电极接触但允许Li⁺离子通过的分隔材料、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。

最先进的锂离子技术目前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，电气化动力系统的广泛采用要求成本降低25％、性能提高4倍、并且电池更安全、不会发生火灾。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，但是尚未证实供于批量规模应用(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的开发。

目前，用在最先进(SOA)锂离子电池中的液体电解质与先进的电池概念(例如使用锂金属阳极或高压阴极)并不匹配。另外，SOA锂离子电池中使用的液体是易燃的，并且在热失控时容易燃烧。使用固体电解质代替SOA中使用的液体可以实现先进的电池化学，同时消除燃烧风险。已经确定了几种固体电解质，包括氮掺杂的磷酸锂(LiPON)或基于硫化物的玻璃，并且已经成立公司以使这些类型的技术商业化。虽然已经在这些类型的电池的性能方面取得了进展，但是由于LiPON必须气相沉积并且硫化物玻璃在暴露于环境空气时会形成有毒的H₂S，因此尚未证实大规模制造。因此，这些系统需要特定的制造技术。

还提出了超导氧化物(SCO)用于固态电解质。虽然在文献中报道了几种氧化物电解质，但是由于必须同时满足几个标准，因此选择特定材料并非易事。根据SOA锂离子电池技术基线的组合确定了以下指标：(1)传导率＞0.2mS/cm，与SOA锂离子电池技术相当，(2)电子传导率可忽略不计，(3)对于高压阴极和锂金属阳极的电化学稳定性，(4)高温稳定性，(5)在环境空气和湿气中的合理稳定性，和(6)可在<50微米下的厚度下制造的能力。直到最近，也没有SCO同时满足上述标准。

在2007年，在石榴石系列超导氧化物中发现了高Li离子传导率[参见，Thangadurai等,Adv.Funct.Mater.2005,15,107；和Thangadurai等,Ionics 2006,12,81]，用基于Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)的SCO石榴石最大化[参见Murugan等,Angew.Chem.Inter.Ed.2007,46,7778]。从那时起，已经证明LLZO可以满足上述固体电解质所需的所有标准。