[发明专利]用于电解质支撑和加工的多孔陶瓷纤维

说明书

电池组电池的电解质结构包括配置为薄膜固体电解质的第一部分和毗邻第一部分安置的第二部分。第二部分包含接触电解质的多孔陶瓷纤维材料。所述电解质结构配置为安置在正电极和锂金属负电极之间。所述多孔陶瓷纤维材料通过加强电解质以抵抗内应力和与电池组电池的制造和/或运行相关联的外应力而机械支撑电解质。所述多孔陶瓷纤维材料还提供基底，在其上沉积、生长或以其它方式形成电解质。在一个实施方案中，具有多孔陶瓷纤维材料的第二部分配置为在将电解质结构安置在正电极和负电极之间后除去。电解质在一个实施方案中由锂磷氧氮（LiPON）形成。

本申请要求2017年12月22日提交的美国临时申请62/609,946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，更特别涉及包括用多孔陶瓷纤维材料支撑或加工的薄膜固体电解质的电池组。

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）。

电池组通常由阳极、阴极和在它们之间的电解质组成。电解质配置为使离子移动，同时抵抗电子流，这允许电子移动到电池组外以提供有用功。阴极和阳极被隔膜隔开，隔膜通常配置为防止可能造成短路的电子传递、防止液体电解质的传输和防止Li枝晶生长。用于电池组的现有隔膜以不同形式和材料出现。一个实例是由多孔陶瓷纤维形成的隔膜。这些陶瓷纤维隔膜的材料被认为多孔，因为该材料允许Li离子在阳极和阴极之间移动，但其用作“隔膜”以防止电短路和/或防止液体电解质的传输。由多孔陶瓷纤维形成的隔膜表现出机械强度和热稳定性等所需属性。这些隔膜通常由普及的陶瓷，如氧化钛和其它过渡金属氧化物形成。

由于液体电解质的相对高离子传导性，现有可再充电Li离子电池组通常使用液体电解质。使用液体或聚合物电解质的另一显著优点是其适应在电池组循环过程中嵌入和脱出锂时改变体积的阴极活性材料(“CAM”)颗粒的体积变化的能力。相反，全陶瓷电池组可能由于这些体积变化而发生疲劳和破裂，尤其是在阴极内。液体阴极电解质的另一优点是CAM的所有表面的更好润湿，以允许CAM的更好利用。

尽管有这些优点，但液体电解质通常是可燃物质，这引起安全问题。液体电解质也与Li金属阳极不相容，这妨碍更高的能量密度。工业上趋向于固态电池组，其包含固体电解质，以减轻这些问题。转向使用固体电解质的一个挑战是找到具有下列属性的电解质：(1)固体电解质对所需阴极和阳极电化学稳定；(2) 固体电解质具有所需离子传导性而没有电子传导性；和(3) 固体电解质具有机械强度、温度稳定性和对安全性和快速充电的其它要求。

一类有前途的固体电解质材料包括薄膜基玻璃质材料，如LiPON。LiPON是用于薄膜Li金属电池组电池的公知电解质。玻璃质材料如LiPON作为面向Li金属的电解质的一个显著优点是其缺乏晶界。晶界是一种破坏点，在此Li长丝可沿晶界生长并最终使电池短路。在由LiPON形成的电解质中缺乏晶界通常阻止了Li长丝的生长。