[发明专利]用于锂金属固态电池的改性固态电解质

说明书

本公开提供“用于锂金属固态电池的改性固态电解质”。根据一个或多个实施例，一种固态电池包括：阴极；包括锂金属的阳极；以及在所述阴极与所述阳极之间的无机陶瓷多晶隔膜。所述隔膜包括离子传导体相的晶粒和在所述晶粒之间限定的晶界，其中所述晶界包含氧化剂。所述氧化剂被配置为使所述锂金属氧化，所述锂金属经由在所述阳极上镀所述锂金属而产生的在所述晶界处的锂金属成核或沿着所述晶界的枝晶生长而与所述氧化剂接触，以形成电子绝缘相从而防止沿着所述晶界形成电子传导路径。所述氧化剂还被配置为在所述锂金属氧化时部分地还原，以形成离子传导相从而促进沿着所述晶界的离子传导。

技术领域

本公开涉及用于锂离子电池的组分和结构，并且具体地涉及固态电池中的固体电解质。

背景技术

低成本和高性能电动车辆(EV)的大规模采用已经导致对具有高能量密度的电池技术的广泛研究和开发。基于碱金属-离子嵌入阴极和阳极的电池诸如锂离子电池(LIB)已被广泛用于EV中。使用石墨阳极的常规LIB的理论容量为874mAh/cm³，其接近能量密度的实际极限，并且低于广泛采用EV所需的能量密度。

因此，由于使用具有高理论充电容量(2046mAh/cm³)和低负电化学电位(与常规的氢电极相比为-3.04V)的Li金属阳极电极，锂金属电池已被认为是用于EV的可能的高能量密度电池。然而，锂金属电池可能在充电期间形成锂枝晶，并且可能具有低库仑效率，这阻碍了Li金属阳极的实际应用。对锂枝晶的抑制和控制可以改善电池的性能和循环寿命。

使得能够使用锂金属阳极的常规方法是通过采用固态电解质(SSE)代替多孔聚合物隔膜和液体电解质来机械地抑制Li枝晶的形成。因此，SSE充当枝晶渗透的物理屏障。然而，即使对于陶瓷SSE电池单元，内部短路也已被证实仍然会形成，并引起电池的自放电。一些研究已表明，有效的SSE将需要具有两倍于Li金属的剪切模量(4.2GPa)以机械地抑制Li枝晶传播。然而，对剪切模量以此2倍以上超过Li金属的剪切模量的各种SSE的研究可能显示出在低电流密度下极化电压的突然下降，这表明可能已经形成短路。在某些情况下，锂金属沿着晶界的传播可以指示与体相相比晶界处更高的离子或电子传导率。在这种情况下，电子和Li离子可能在SSE主体内的位置处结合，这可能导致Li金属在晶界处而不只是在SSE的镀层侧处的形成和传播。因此，需要替代策略来关于固态电解质隔膜抑制和控制枝晶。

发明内容

根据一个或多个实施例，一种固态电池包括：阴极；包括锂金属的阳极；以及在所述阴极与所述阳极之间的无机陶瓷多晶隔膜。所述隔膜包括离子传导体相的晶粒和在所述晶粒之间限定的晶界，其中所述晶界包含氧化剂。所述氧化剂被配置为使所述锂金属氧化，所述锂金属经由在所述阳极上镀所述锂金属而产生的在所述晶界处的锂金属成核或沿着所述晶界的枝晶生长而与所述氧化剂接触，以形成电子绝缘相从而防止沿着所述晶界形成电子传导路径。所述氧化剂还被配置为在所述锂金属氧化时部分地还原，以形成离子传导相从而促进沿着所述晶界的离子传导。