[发明专利]阳极室密封的强化电池组件

说明书

一种固态电池组电池，其具有由非导电材料形成的框架。该框架具有框架厚度(Tf)。由框架包围并完全在框架内的电池芯具有电池芯厚度(Tc)。电池芯包括至少一个阳极、至少一个阴极和至少一个阳极和至少一个阴极之间的至少一个电解质层。至少一个电池芯膨胀容纳凹部被框架包围并完全在框架内。至少一个电池芯膨胀容纳凹部限定一个内部电池体积，电池芯在内部电池体积中是可膨胀和可收缩的。在电池充电和/或电池放电循环期间，电池芯厚度(Tc)小于或等于框架厚度(Tf)。

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2015年3月25日提交的美国临时专利申请No.62/137,991，其全部内容通过引用并入本申请，并提出了临时申请的较早申请日。

背景技术

(1)技术领域

本发明涉及用于电化学电池的电池组件(battery package)。更具体地，本发明涉及一种具有阳极室的电池组件，该阳极室用于容纳锂基阳极并适应随某些阳极组成(formulations)发生的阳极体积变化。

(2)相关技术描述

本发明涉及固态锂电池组的封装(packing)。由在20世纪70年代开发并在20世纪80年代销售的早期固态锂电池组不再生产。这些电池包括锂金属阳极，碘化锂和Al2O3的分散相电解质，以及作为阴极的金属盐。Li/LiI(Al2O3)/金属盐结构是真正的固态电池组(battery)，但该电池组不可再充电。

目前，使用液体电解质的锂离子电池组化学物质提供了最好的已知性能，并已成为所有电池化学物质中最广泛使用的。锂离子电池由铸造在薄(～10μm)铝箔集电器上的厚(～100μm)多孔复合阴极组成。复合阴极通常包含作为活性材料的钴酸锂LiCoO2，由于其高容量和良好的循环寿命，和炭黑，使整个层具有导电性。一个薄聚合物隔板在阴极和碳基阳极之间提供电隔离，在充电循环期间插入Li。电池浸泡在液体电解质中，其在充电和放电期间在阴极和阳极之间为输送Li离子提供非常高的导电率。由于厚的复合阴极是多孔的，所以液体电解质被吸收并填充到结构中，从而与LiCoO2活性材料进行极好的表面接触，并允许以最小的阻抗将Li离子快速传输到整个电池中。

液体电解质本身由溶剂混合物中的Li盐(例如，六氟磷酸锂，LiPF6)组成，通常包括碳酸亚乙酯和其它直链碳酸酯,如碳酸二甲酯。尽管能量密度和循环寿命有所改善，但含有液体电解质的电池仍然存在几个潜在的问题。例如，液体电解质通常是挥发性的，并且在高充电率、高放电率和/或内部短路条件下经受压力积聚、爆炸和起火。另外，以高速率进行充电可以在阳极表面上引起枝晶锂生长。所产生的枝晶可以延伸穿过隔板并导致电池短路。此外，电池的自放电和电池效率受到液体电解质的副反应和阴极的腐蚀的限制。最后，如果由于过电压或短路条件电池过热，液体电解质也会产生危险，造成另一种潜在的火灾或爆炸危险。

由于在诸如液体和固体聚合物电解质的有机电解质材料之间形成的钝化反应和不稳定的界面，开发使用无机固体电解质材料的可再充电固态锂基电池组是长期以来的目标。在20世纪90年代初，第二类型全固态电池组在橡树岭国家实验室(the Oak RidgeNational Laboratories)开发，橡树岭伯特利谷路1号(1Bethel Valley Rd，Oak Ridge)TN37831。这些电池由阴极、无机电解质和阳极材料的薄膜组成，使用真空沉积技术沉积在陶瓷基底上，包括用于阴极和电解质的RF溅射和Li金属阳极的真空蒸发。电池的总厚度通常小于10μm：阴极的厚度小于4μm，固体电解质的厚度约为2μm(恰好足以提供阴极和阳极的电隔离)和Li阳极的厚度约2μm。由于通过物理气相沉积技术提供强化学键合(在每层内和在电池的层之间)，所以这些电池的传输性能优异。虽然固体电解质锂磷氮化物LiPON的导电率仅为2×10^-6S/cm-1(比在早期的电池组中使用的LiI(Al2O3)固体电解质的电导率低50倍)，2μm的薄层的阻抗非常小，允许非常高的速率能力。然而，基于这种技术的电池组是制造非常昂贵的，非常小，并且容量非常低。