[发明专利]具有密封阳极结构的混合固态电池

说明书

提供了一种整体式陶瓷电化学电池壳体。所述壳体包括两个或更多个电化学子电池壳体。所述电化学子电池壳体中的每个电化学子电池壳体包括阳极容纳空间、阴极容纳空间、位于所述阳极容纳空间与所述阴极容纳空间之间的隔板，以及集成电子传导电路。第一集成电子传导电路被配置为所述阳极容纳空间内的阳极集电器。第二集成电子传导电路被设置为所述阴极容纳空间内的阴极集电器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月31日提交的标题为“HYBRID SOLID-STATE CELL(混合固态电池)”的美国临时申请62/624,476的优先权，所述临时申请的全部内容以引用方式并入本文。本申请还要求2019年1月30日提交的美国专利申请16/262,058的优先权。

本申请还涉及2018年1月30日提交的标题为“CERAMIC LITHIUM RETENTIONDEVICE(陶瓷锂保持装置)”的美国专利申请序列号15/883,698，所述专利申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种整体式陶瓷电化学电池壳体及相关制造方法。

背景技术

锂离子蓄电池(LIB)与其之前的NiCad和锂金属氢化物电池相比提供了能量密度和每瓦时成本方面的显著改进。尽管如此，在电动车辆中，生产LIB的制造成本高昂。此外，低能量密度导致我们的电子配件比所期望的更大且更笨重。本领域的最新改进试图通过增加固态电池的密度来解决这些缺点。

虽然具有锂金属阳极的电池提供优异的能量密度，但可再充电电池由于在充电周期期间枝晶形成的风险而无法用锂金属阳极来构造。在充电周期期间的枝晶形成导致短路，短路在液体电解质着火时引起爆炸和燃烧。液体电解质是高度易燃的有机溶剂，并且确实防止阳极与阴极之间的枝晶生长。因此，LIB通常由嵌合阳极构成，所述嵌入阳极允许锂离子插入晶体结构中而不是镀覆到集电器上。将锂离子插入晶体结构中将阳极的有效能量存储容量降低到小于锂金属理论容量的10％。

液体电解质还限制蓄电池的最大电压。典型的液体电解质在阳极与阴极之间高于四伏电压差下分解，这有效地将LIB的最大开路电压限制为约3.8伏。可对锂阳极产生6伏电压的阴极材料被认为是实用的，但不适用于具有液体电解质的电池。使用此类高电压阴极的能力可将电池的能量密度增大50％。

明显的解决方案是使用不易燃电解质，所述不易燃电解质可防止枝晶形成，不受6伏以上电势的影响，并且具有等于或接近液体电解质的离子电导率。虽然具有高锂离子电导率的陶瓷满足这些要求，但它们也具有妨碍实际实现方式的物理和化学特性。例如，陶瓷材料通常非常坚硬且具有脆性。此外，实际的电池由子电池堆叠构成，所述子电池继而各自包括电化学电池的非常薄的基本部件层。常见方法包括通过成片地产生薄层(隔板的厚度40μm)并将其按顺序组装来构造电池。然而，薄层易碎且很少是平坦的，从而跨会合表面在各个层之间造成不连续接触。向层堆叠施加压力趋于改进接触，但不可接受地增加了使层破裂的风险。

此外，向层堆叠施加压力不能在层之间形成整体连接，而是在两个表面之间形成压力接触。典型的蓄电池材料具有致使触点与周围环境发生反应的化学活性。换句话说，即使是相似材料之间的表面接触也将易于增加接触点处的离子和/或电阻。

与具有锂金属阳极的电池相关的其他缺点包括难以围绕阳极空间实现真正的气密密封。进入阳极空间中的任何氧气或水将造成锂的氧化，因此非气密密封由于氧气或水泄漏到电池中而降低容量并最终破坏电池。虽然显然液体电解质具有显著缺点，但液体电解质能够流入锂原子被氧化为锂离子并穿过隔板移动到阴极的任何开放空间中，以维持整个电池的离子电导率。陶瓷电解质不具备这种能力。因此，使用陶瓷电解质的常规方法是在锂金属与陶瓷阴极之间形成平面界面。以此方式，仅靠近陶瓷电解质的锂薄层可氧化并移动到电解质中。结果是极大地限制了阳极的储能容量。薄膜固态电池体现了这一缺点，因为锂金属阳极的可用厚度仅为所沉积金属的一小部分。

需要解决当前固态电池开发工作的不足。