[发明专利]包含固体电解质的高能密度碱性金属电池

说明书

公开了一种包含碱金属阳极和固体电解质的电化学电池。电解质的表面机械地、化学地或通过烧蚀粗糙化，并且电池在3MPa和10MPa之间的压力下运行。与使用光滑表面的电解质表面并且在小于1MPa的压力下运行的类似尺寸的电池相比，这种电池表现出更高的功率密度。

技术领域

提供了一种制备高输出、长寿命电池的方法，该电池采用碱金属，特别是锂或钠作为阳极，以及固体电解质。

背景技术

基于锂化学的电池在需要高能量密度的应用中越来越占主导地位，诸如汽车和许多其他消费类产品，诸如手机和照相机。目前大多数锂化学电池使用将锂嵌入能够在电池充电和放电循环期间接收和接受锂离子的适合的受体/供体材料中。然后将电极分开，并用多孔聚合物膜隔离膜分离，并浸入有机锂离子传导的液体电解质中。除了高能量密度之外，这样的锂离子电池在不使用时会损失最小量的电荷，并且不会显示记忆效应。

但是通过使用金属锂电极可以进一步改善现有可再充电电池的能量密度。然而，锂金属可能会与锂离子电池中常用的液体电解质反应并消耗液体电解质，导致电池容量在多次充电放电循环中逐渐减少。这种锂反应性已经促进固态电解质的发展，固态电解质既传导锂离子又用于物理和电气隔离阳极和阴极。

但是，这样的锂电池，尽管可能提供比锂离子电池更高的能量密度，但在重复充电-放电循环之后通常也会呈现能量密度逐渐降低。在许多情况下，能量密度的降低可足以否定它们比锂离子电池的初始优势。

因此一般需要改善尤其是锂金属电池和碱金属电池的长期功率密度。

发明内容

本发明涉及改善可再充电二次电池的长期能量密度方面，该电池采用例如锂或钠的碱金属作为电极，以及固体电解质作为离子导体和隔离膜。这些方法可以单独使用，但通过组合使用这些方法可以获得优异的结果。

在第一方面，通过包括但不限于机械磨损、激光烧蚀和化学蚀刻的任何合适手段对固体电解质的表面进行粗糙化，以在电解质上产生比用平滑表面可实现的更大的有效表面区域。通过改善能量密度和固体电解质，其中大多数为玻璃质或陶瓷，可以了解在机械载荷下断裂的粗糙化的程度或严重程度。

在第二方面，碱金属电极材料在压力下压靠在固体电解质的表面上。施加的施压压力使碱金属大量流动并基本完全填充粗糙化的固体电解质表面中的凹陷，使得电极基本上接合整个较大的有效表面区域。当电池处于使用状态时，初始施压压力保持不变，并且用于确保放电期间碱金属电极材料和固体电极之间的电接触的连续性。

通过在大于碱金属阳极的流动应力的压力下组装碱金属阳极和粗糙化的固体电解质，可以制造体现上述特性的高容量碱金属阳极电化学电池。

上述实践广泛适用于一系列固体电解质家族，包括但不限于：硫化物、氧化物和硫氧化物玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷；石榴石；抗钙钛矿；钙钛矿；以及，具有类似于NASICON(钠(NA)超离子导体)结构的材料，其中LATP(Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃是非限制性示例。

附图说明

图1A、图1B和图1C以局部视图示意性示出了金属阳极电池中的一部分阳极和固体电解质。特别是这些图显示了当制造的电池(图1A)首先放电时，金属阳极中的原子排列如何变化，导致电极接触部分损失(图1B)，然后基本完全丧失电极接触(图1C)。

图2A和图2B示意性示出了在重复放电和充电循环之后金属阳极电池的电极接触面积的减小。

图3以准透视图示意性示出了固体电解质的表面通过与该表面接触的研磨体的线性运动而机械地粗糙化。

图4A和图4B比较了两个锂-锂电池的放电性能。图4A示出常规制造的电池的行为，而图4B示出根据本公开的方法制造的电池的行为。