[发明专利]通过梯度组成引导固体电解质界面的生长

说明书

用于具有锂金属阳极的电池组电池的电解质结构具有配置为接触阳极的第一面和与第一面相对的第二面。所述电解质结构包括毗邻第一面布置并朝第二面延伸的第一区域和布置在第一区域和第二面之间的第二区域。第一区域具有电子绝缘的第一材料组合物，以使所述电解质针对锂金属阳极而言稳定。第二区域具有第二材料组合物，其不同于第一组合物且具有典型电解质性质，如机械强度、针对阴极而言的稳定性和离子电导率。第一区域和第二区域在电解质结构的厚度上界定组成梯度。通过梯度生长法在一个点连续制造组成梯度。

本申请要求2017年12月22日提交的美国临时申请62/609,936的权益，其公开内容全文经此引用并入本文。

政府权利公告

在美国能源部高级研究计划局–能源(ARPA-E)依据DE-AR0000775给予的政府资助下作出本发明。政府在本发明中享有某些权利。

领域

本公开涉及电池组，更特别涉及用于电池组的具有梯度组成的薄膜电解质。

背景

电池组是可并入许多系统中的有用的储能来源。由于它们与其它电化学储能装置相比的高比能量，可再充电锂离子（“Li离子”）电池组是用于便携式电子设备和电动车辆和混合动力车辆的有吸引力的储能系统。特别地，与具有常规碳质负电极的电池组相比，具有并入负电极或阳极中的某种形式的锂（“Li”）金属的电池组提供格外高的比能量（以Wh/kg测得）和能量密度（以Wh/L测得）。

在具有Li金属阳极的Li离子电池组应用中，在电极/电解质界面处发生意料外的副反应。这种副反应消耗电极材料，产生固体电解质界面(SEI)层并因此降低电池组能量容量。但是，如果满足下面两个标准，SEI层通常不会显著抑制电池组运行：(1) SEI层必须是Li离子导体，其能够传送Li离子以供正常电池组充电/放电运行；和(2) SEI层必须是不良电子导体，以防止跨过SEI层的电子传送。相反，如果该材料既离子导电又电子导电，SEI层可能生长而非钝化。此外，Li金属有时意外沉积在SEI层的上方而非在SEI层的下方，这有可能在循环时导致搁置的（stranded）Li。

鉴于LiPON成功用作电池组应用中的薄膜电解质，相关的锂氧化物和氮化物，如LiSiO、LiSiON、LiPSiON、LiPSiBON等可能也可用于这样的应用。但是，稳定性计算表明这些材料可形成电子导电且离子导电的SEI层，这可能抑制它们在电池组中的应用。使用在多维空间中的凸包分析进行稳定性计算。例如，假设目标是在给定组成，如Li4SiO4下找出最低能量的材料。根据物理学，可由一种化合物（例如Li4SiO4）或多种化合物的相分离（例如2(Li2O)+SiO2）实现最低总能量。

通常，在密度泛函理论形式中通过从头计算进行这些总能量计算。用许多这样的计算构建数据库，并由最低能量的化合物或化合物组绘制“凸包”。将任何点（如Li4SiO4）投影到凸包上将得出提供最低能量的分解产物。这些产物的“形成能量”是形成这些产物而非使它们保持在一些其它终点的能量消耗。重要地，这些产物的实际形成取决于反应的动力学并且不容易预测。因此，该分析的主要用途是测定有可能形成哪些产物。

在电池组的循环过程中，Li的电化学电位将会改变，因此为了找出可能形成的所有SEI组合物，检查电解质与Li金属之间的线段，并将该线段投影到凸包上。进一步检查分解产物（沿投影线段的中间顶点），以通过计算预测带隙来测试任何产物是否是电子导体（金属）。零带隙意味着存在金属，而非零带隙表明半导体或绝缘体。这种测定受制于密度泛函理论的常见约束和准确度，但预计合理可靠地预测LiPSiBON化合物是绝缘体还是金属，即使带隙稍许不准确。