[发明专利]固态电池

说明书

本申请提供包含正极、负极和固体电解质的固态电池。在一个实施方案中，所述正极、负极和/或固体电解质由可印刷锂组合物形成，其中所述可印刷锂组合物包含锂金属粉末、与所述锂金属粉末相容的聚合物粘合剂、与所述锂金属粉末相容的流变改性剂以及与所述锂金属粉末且与所述聚合物粘合剂相容的溶剂。在另一个实施方案中，使用锂可印刷锂组合物在所述固体电解质上沉积锂，其中所述锂可印刷锂组合物包含锂金属粉末、与所述锂金属粉末相容的聚合物粘合剂、与所述锂金属粉末相容的流变改性剂以及与所述锂金属粉末且与所述聚合物粘合剂相容的溶剂。

相关应用

以下申请要求2019年3月20日提交的美国非临时性No.16/359,707、2019年3月20日提交的美国非临时性No.16/359,725、2019年3月20日提交的美国非临时性No.16/359,733、2018年3月22日提交的美国临时62/646,521和2018年6月29日提交的美国临时62/691,819的优先权，其公开内容在此整体并入作为参考。

技术领域

本发明涉及包含可印刷锂组合物的固态电池。

背景技术

锂和锂离子二次电池或可再充电电池已用于某些应用中，例如在手机、便携式摄像机和笔记本电脑中，甚至在最近的更大功率应用中，例如在电动汽车和混合电动汽车中。在这些应用中，优选的是，二次电池具有尽可能高的比容量，但仍提供安全的操作条件和良好的可循环性，从而在随后的充电和放电循环中保持高的比容量。

尽管二次电池有多种构造，但是每种构造包括正极(或阴极)、负极(或阳极)、将正极和负极分开的隔膜、与正极和负极以电化学连通的电解质。对于二次锂电池，当二次电池放电时，即用于其具体应用时，锂离子通过电解质从负极转移到正极。在放电过程中，电子从负极收集并通过外部电路传递到正极。当二次电池充电或再充电时，锂离子通过电解质从正极转移到负极。

历史上，二次锂电池使用具有高比容量的非锂化的化合物作为正极活性物质生产，其中所述非锂化的化合物例如TiS₂、MoS₂、MnO₂和V₂O₅。这些正极活性材料与锂金属负极耦合。当二次电池放电时，锂离子通过电解质从锂金属负极转移到正极。不幸的是，在循环时，锂金属会形成树晶，最终导致电池中的不安全状况。结果，在1990年代初停止了这类二次电池的生产，转为锂离子电池。

锂离子电池通常使用锂金属氧化物，例如LiCoO₂和LiNiO₂作为正极活性材料，并与活性负极材料，例如碳基材料耦合。认识到基于氧化硅、硅颗粒等的其他负极类型。在使用基于碳的负极系统的电池中，基本上避免了在负极上形成锂枝晶，从而使电池更安全。然而，其量决定电池容量的锂完全由正极供应。这限制了正极活性材料的选择，这是因为所述活性材料必须包含可去除的锂。另外，在充电和过充电期间形成的与Li_xCoO₂、Li_xNiO₂相对应的脱锂产品并不稳定。具体而言，这些脱锂产物倾向与电解质反应并产生热量，这会引起安全隐患。

新的锂离子电池或电池最初处于放电状态。在锂离子电池的第一次充电期间，锂从正极材料移动到负极活性材料。从正极移动到负极的锂与石墨负极表面的电解质材料发生反应，从而在负极上形成钝化膜。在石墨负极上形成的钝化膜是固体电解质界面(SEI)。在随后的放电中，通过形成SEI而消耗的锂不会返回到正极。与初始充电容量相比，这导致锂离子电池具有较小的容量，这是因为一些锂已经通过SEI的形成而消耗。在第一循环中部分消耗的可用的锂会降低锂离子电池的容量。这种现象称为不可逆容量，并且已知会消耗锂离子电池约10％至大于20％的容量。因此，在锂离子电池初次充电后，锂离子电池会损失约10％至超过20％的容量。