[发明专利]固态电池的钛酸锂阳极和制造方法

说明书

本公开提供了“固态电池的钛酸锂阳极和制造方法”。一种固态电池，包括正极、负极和在所述正极与所述负极之间的隔片。所述负极包括被还原的钛酸锂(LTO)颗粒和固体电解质颗粒。所述负极缺少电子导电添加剂。

技术领域

本公开涉及一种固态电池及其制造方法。

背景技术

固态电池(SSB)为具有液体电解质的常规锂离子电池提供了替代方案。典型地，SSB包括固体电极和固体电解质材料。固体电解质可以是耐锂枝晶的，这可能导致内部短路并是易燃且不稳定的液体电池电解质的替代。用于SSB的固体电解质典型地用作在两个电极之间的隔片，并且必须对锂离子有高传导性，但是具有非常低的电子导电率。因此，SSB可能具有非常低的自放电率。由于所使用的材料，SSB减少电解质泄漏和电解质与活性材料之间的反应并提供长保质期和高能量密度。

SSB具有提供优于常规锂离子电池的其它益处的潜力，诸如更好的能量密度。典型地，为了提供大于约700Wh/L的能量密度，SSB必须使用锂金属作为阳极材料。然而，由于固体电解质隔片中的锂枝晶生长、在循环期间阳极的体积变化、锂/电解质界面的降解以及与各种固体电解质材料的不相容性，在SSB中使用锂金属是有挑战性的。锂金属基阳极的替代之一是钛酸锂(LTO)。与高电压阴极(诸如LMNO)耦合的LTO阳极可能能够输送约700Wh/L。此外，使用LTO作为阳极材料典型地提供诸如低体积变化和与各种固体电解质的良好的相容性的益处，以使LTO成为用于SSB的有吸引力的材料。

已开发了形成SSB的各种方法。然而，制造高能量密度SSB例如因合适的固体电解质对大气湿度的高灵敏度而一直是个挑战。在电极的活性材料与固体电解质颗粒之间也难以实现良好的界面电阻。例如，在约900℃的高温下烧结用于提供电解质与活性材料之间的界面接触，但是因高温而面临着碳作为电子导体的问题。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种固态电池。所述固态电池包括正极、负极和在所述正极与所述负极之间的隔片。所述负极包括被还原的钛酸锂(LTO)颗粒和固体电解质颗粒。另外，所述负极缺少电子导电添加剂。

根据一个或多个实施例，所述被还原的LTO颗粒可以是在还原性气氛中在约300℃至1200℃的温度下处理的原始LTO颗粒。此外，所述还原性气氛可以是含有CO、H₂、碳氢化合物、H₂/N₂、H₂/Ar或其组合的气体环境。在一些实施例中，所述被还原的LTO颗粒包括氧缺陷。在其它实施例中，所述被还原的LTO颗粒可以包括掺杂剂。所述掺杂剂可以是Mg²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Ni²⁺、Mo⁶⁺、Cu²⁺或其组合。在一个或多个实施例中，所述电子导电添加剂可以是碳或金属颗粒。

根据一个实施例，公开了一种用于形成固态电极总成的方法。所述方法包括：提供被还原的LTO颗粒；将所述被还原的LTO颗粒与固体电解质颗粒混合以形成混合物；将所述混合物制造成阳极板；将所述阳极板与隔片板和阴极板布置在一起以形成堆叠；层压所述堆叠；以及烧结所述堆叠以形成所述总成。

根据一个或多个实施例，所述制造可以包括使所述阳极板流延成型。在一些实施例中，所述烧结可以在惰性气氛中进行。此外，所述惰性气氛可以是氩或氮气氛。在一个或多个实施例中，所述提供可以包括在还原性气氛中在约300℃至1200℃的温度下处理原始LTO。根据一个或多个实施例，所述方法还可以包括用Mg²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Ni²⁺、Mo⁶⁺、Cu²⁺或其组合掺杂原始LTO以形成所述被还原的LTO颗粒。在一些实施例中，所述混合可以包括基于预定期望容量和速率能力而选择被还原的LTO颗粒与固体电解质的比率。