[发明专利]与固态电解质形成简易锂金属阳极界面的系统和方法

说明书

本文公开了电化学装置，如锂电池电极、锂离子导电固态电解质以及包括这些电极和固态电解质的固态锂金属电池。在一个所公开的方法中，提供了一种固态电解质材料，该固态电解质材料包括具有第一电子传导率的前体层；并且固态电解质材料上的前体层被还原为具有第二电子传导率的界面层，所述第二电子传导率大于所述第一电子传导率。还公开了一种形成用于电化学装置的固态电解质的方法，所述电化学装置包括含有电化学活性金属的阳极，其中，所述方法提供了固态电解质材料，并且将含有第一金属的界面层沉积在固态电解质材料的表面上，其中，在电化学装置形成或循环期间，电化学活性金属不会与第一金属形成合金。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月31日提交的美国专利申请第62/480,051号的优先权。

关于联邦资助研究的声明

本发明在美国能源部授予的DE-EE-00006821的政府支持下完成。政府对本发明拥有一定的权利。

发明领域

本发明涉及电化学装置，如锂电池电极、锂离子导电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。

背景技术

目前最先进的锂离子电池包括两个电极(阳极和阴极)、保持电极不接触但允许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。

最先进技术的锂离子技术目前被用于小批量生产插电式混合动力车和小众高性能车辆；然而，电动动力系统的广泛采用要求成本降低25％，性能提高4倍以上以及无起火可能的更安全的电池。因此，将来的能量存储需要更安全、更便宜和性能更高的能量存储方式。

一种策略是开发固态电池，其中，用对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替代液体电解质，同时将电池组的成本降低约20％。尽管有这些吸引人的特征，但是尚未证实用于批量规模应用(如电动车辆)的固态电池的制造和测试。

目前，SOA锂离子电池中使用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)不兼容。此外，SOA锂离子电池中使用的液体是易燃的，并且在热散逸时容易燃烧。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。已经确定了多种固体电解质，包括氮掺杂磷酸锂(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形成有毒的H₂S，因此大规模制造尚未被证实。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。尽管在文献中报道了几种氧化物电解质，但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)在厚度<50微米下的制造能力。从那时起，已经证明锂镧锆氧化物(LLZO)可以满足上述固体电解质所需的所有标准。

功率性能和充电时间是快速充电的汽车、医疗手动工具和消费电子应用至关重要的指标。汽车快速充电的关键意义在于固体电解质无故障地支持高电流密度的能力。观察到故障的电流密度被称为临界电流密度(CCD)，其必须为1–10mA/cm²，这并非微不足道。更高的电流密度直接与更好的功率性能和更快的充电时间有关。

因此，需要一种提高汽车应用中的固态电池的临界电流密度的方法。

发明概述