[发明专利]包覆有锂离子导电固体电解质的集电器

说明书

公开了一种用于形成电化学装置的制品。该制品包括包覆有离子导电固体电解质材料的金属集电器，使得在集电器与离子导电固体电解质材料之间形成紧密接触。锂金属阳极可以由包含在阴极材料中的锂离子原位形成在集电器包覆层和离子导电固体电解质材料之间，该阴极材料被放置成与离子导电固体电解质材料接触。可以从该制品构造双极电化学电池。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月9日提交的美国专利申请第62/615,118号的优先权。

关于联邦资助研究的声明

本发明在能源部授予的DE-AR0000653的政府支持下完成。政府对本发明拥有一定的权利。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种制品，该制品包括包覆有离子导电固体电解质材料的金属集电器，使得集电器与离子导电固体电解质材料之间紧密接触，并且可以由阴极材料中包含的锂离子原位形成锂金属阳极。本发明还涉及使用本发明方法由该制品构造的双极电化学电池。

2.相关领域描述

锂离子(Li-ion)电池技术在过去十年中已取得显著进步，到2019年市场规模预计为105亿美元。当前技术水平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。

对于包括电动汽车，电网存储和消费电子产品在内的许多应用，都需要寿命更长，容量更高且安全隐患减少的电池。多年来，锂(Li)金属一直被认为是“理想的”阳极材料，因为它能够以金属形式存储轻质锂，而无需使用惰性基质材料或导电支架。锂可以提供3860mAh/g的容量和最低的理论阳极电位，使其成为包括Li-硫和Li-空气在内的下一代电池系统的支持技术。不幸的是，由电极-电解质相互作用引起的反应性问题阻止了锂金属电池的长期循环。这些相互作用导致形成不稳定的枝晶结构，从而导致库仑效率降低并最终失效。这些类型的故障不仅可能会缩短电池寿命，而且还可能由于气体放出和易燃电解质可能的起火而导致安全隐患。经常研究的该问题的一种解决方案是开发一种固态电解质电池技术，该技术可机械地防止阳极中的枝晶生长。

目前，现有技术(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，并且在热失控时容易燃烧。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。在过去的十年中，已经发现了几种固体电解质并对其进行了深入研究。与SOA锂离子电池相比，这些新型固态电池的能量密度有望达到3-4倍，而封装成本却降低了20％。

实现更高性能电池技术的另一种方法是利用双极电池构造，这还将增加能量密度并降低封装成本。双极电池构造允许单个电池以层状构造堆叠。在这种结构中，电池中的每个单电池与其毗邻的相邻单电池中的一个单电池共享集电器。在层状构造的每一端，都有一个集电器，其可以用作最终的阳极和阴极。与传统单极电池中的连接相比，这种“三明治状”的电池层封装可实现更短的电流路径和更大的表面积。双极设计的最终结果是减少了功率损耗，降低了制造成本和电池重量。不幸的是，双极电池技术的商业化在很大程度上受到制造工艺发展缓慢以及无法密封每个电池以防电解质泄漏的阻碍。

因此，需要能够解决上述电池构造的缺陷的改进的电池结构和制造方法。

发明内容

本公开提供了用于形成电化学装置(例如双极电池)的制品以及制造电化学装置的方法。该制品可以包括由多个堆叠的阴极活性材料和覆盖有固态电解质的集电器形成的多个层状结构。当形成电流通过制品时，可以在每个集电器和固态电解质之间形成阳极层，从而使新形成的电化学装置能够用作双极电池。