[发明专利]高容量固态复合正极、固态复合隔膜、固态可充电锂电池及其制造方法

说明书

一种高容量固态复合正极，包含分散在无定形无机离子导电金属氧化物如锂镧锆氧化物和/或锂碳镧锆氧化物中的活性正极材料。一种固态复合隔膜，包含分散在无定形、无机、离子导电的金属氧化物中的电子绝缘无机粉末。提供了用于制备复合正极和复合隔膜的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年3月1日提交的美国临时专利申请号61/605,241和2012年3月5日提交的61/606,840的优先权，其公开内容以引用方式并入本文。

背景技术

电池单元(电池，battery cell)是一种特别有用的物品，其提供存储的电能，该电能可用于向多种设备包括需要电源的便携式设备供能。电池单元(常常被略微不准确地以缩写形式称作“电池”)通常由至少一种电解质(也称作“电解导体”)设置在隔开的电极对之间形成的电化学装置。当各个接触电极的集电器(集流器，current collector)连接于包括待提供功率的物体或设备(通常称为“负载(load)”)的外部电路时，电极和电解质是引起电流在电极之间流动的电化学反应的反应物。电子通过电极的自由端流动伴随着并且由离子在电解质中和通过电解质的产生和流动引起。

通常，通过以下方式增强电池性能：改善一个或多个单独的组件诸如电极和/或电解质，和/或改善电池的组件之间的相互作用。用作电解质的材料可具有若干种不同的形式。例如，电解质材料可以是液体、固体或诸如具有液体和固体这两种特性的糊剂材料。除电极和电解质之外，电池还可包含隔膜组件，其使各电极彼此分隔开。各电极的分隔防止电极间不期望的直接电子传导，称作短路。通常，能够产生并维持各电极间的物理间距的一些类型的固体材料被用作隔膜。

近年来，人们越来越关注俗称的“固态”电池，在这种电池中，电极或电解质中不使用液体。在固态电池中，分隔电极(隔膜功能)和用作各电极之间离子传导的介质(电解质功能)的功能由单个组件实现。因此，固体离子导电电解质通常既用作隔膜也用作电解导体。最近，固体离子导电材料诸如离子导电金属氧化物，具体是无定形离子导电金属氧化物，已被研究用作固态电池中的固体电解质。然而，一些固体离子导电材料存在瑕疵，诸如材料中的裂缝(crack)，这可以对电池的性能造成不利的影响。固体离子导电材料通常是通过可引起最终产品形成裂缝的过程由前体(precursor)产生的。这种裂缝可抑制通过固体电解质最佳地传输离子。此外，裂缝可提供各电极之间的电子传输的途径，从而产生短路，短路可导致电池失效。因此，应当理解的是，研发一种适于用在固态电池中、并且其中瑕疵被充分减少或消除且电池性能增强的固体离子导电电解质将是有利的。

薄膜溅射的正极(cathode，阴极)材料目前被用作现有技术的薄膜固态锂电池和锂离子电池。由于锂原子在活性正极材料中通常具有低扩散系数，因此在电池的充电/放电循环期间，只能在浅处、不完全地获取厚层正极的容量。因此，在合理的充电放电率下，锂离子只能从其进入正极材料的入口点移动有限的距离。该浅处获取(shallow access)显著降低了所得电池的体积和重量能量密度。

当前的薄膜固态锂离子电池技术采用昂贵的基底，包括贵金属，并使用昂贵的溅射工艺形成正极材料涂层。不仅成本高，还使用高温稳定的贵金属诸如金来保持这种电池在高温(>850℃)过程中所需要的集电器的导电性，其中所述高温过程用于使正极材料的膜和/或层结晶。

因此，非常期望成本有效的包括高容量正极的固态锂电池。

发明内容

根据本发明的实施方式的固态复合正极包括分散在无定形无机离子导电金属氧化物中的活性正极材料。

根据本发明的实施方式的固态复合正极的制备方法包括：

(a)制备包含活性正极材料和无定形无机离子导电金属氧化物的前体的浆料(淤浆，浆液，slurry)；

(b)由浆料形成膜；以及

(c)加热膜以形成无定形无机离子导电金属氧化物，其中活性正极材料分散在无定形离子导电金属氧化物中。