[发明专利]固态电池

说明书

本发明有关于一种高能量密度、长寿命、可快充和高安全性的复合固态电池，其结构包含第一电极与第二电极，第二电极的第一侧面对第一电极的第一侧并且与第一电极间隔开；固体电解质至少部分地设置在第一电极和第二电极之间的空间中，用以提供与第一电极及/或第二电极相关的金属离子移动通过的路径，其中金属离子沿路径保持浓度差异地分布。本发明的固态电池包含两种不同形式的固态电解质，可形成相互交错的非均相复合固态电解质层。其一可选用软性固态电解质，使固化前的液态电解质在制作过程中，可以较多地保留在固体电解质的空隙中。其二可选用高金属离子浓度的固态电解质，以增加内部金属离子浓度而加快扩散速率，进而提升电池元件的快充能力。

技术领域

本发明关于一种电池，尤指一种固态电池。

背景技术

请参考图1A及图1B，其分别示意性地示出了现有锂离子电池的充电和放电阶段，其中，锂离子电池提供有电池电压Vb和电池电流Ib，并电性连接至电源98用于以电子e^-进行充电(图1A)，并且锂离子电池电性连接到负载99以进行放电(图1B)而释放电子e^-。现有锂离子电池的阴极(cathode)91由添加了锂的多金属氧化物材料形成，并且现有锂离子电池的阳极(anode)92由石墨形成。阴极(cathode)91与阳极(anode)92浸在电解质溶液90中，并且隔离膜(Separator)93设置在阴极(cathode)91与阳极(anode)92之间，使两个电极分开用以防止短路，同时允许离子载子(ionic charge carriers)通过。在充电阶段，如箭头901所示，锂离子900透过电解质90从隔离膜(Separator)93从阴极(cathode)91向阳极(anode)92移动。另一方面，在放电阶段，如箭头902所示，锂离子900通过电解质90从阳极92通过隔离膜(Separator)93反向移动至阴极91。

用于电池单元的电解质溶液的材料通常是具腐蚀性和可燃的，并且由于液体的特征，可能不幸地发生泄漏。因此，这样的电池单元的安全性和可靠性无法令人满意。

另外，随着技术的进步和对环境保护的日益关注，便携式电子产品和电动汽车在我们的日常生活中变得越来越普及。因此，对于开发外型紧凑且有效率的电池的需求日益增长，意即该电池尺寸小但可以长时间工作。有鉴于全球锂离子电池市场(例如在2017年)已超过100亿美元，这意味着对于锂离子电池的进一步改善，特别是对于能量密度的提高仍然有很高的需求。为此，固态锂电池便被开发出来了。

固态锂电池通常由阴极(cathode)、阳极(anode)和电解质组成，它们均由基本上是固态的材料所形成。随电解质的种类而变化，目前商业上可取得的固态电池基本上分为两种类型，意即，包含有机聚合物电解质(organic polymeric electrolytes)的聚合物固态锂电池(polymeric solid-state lithium batteries)和包含无机固体电解质(inorganic solid electrolytes)的无机固态锂电池(inorganic solid-state lithiumbatteries)。无机固态锂电池可进一步分类为氧化物固态锂电池(oxide solid-statelithium batteries)和硫化物固态锂电池(sulfide solid-state lithium batteries)。