[发明专利]用以防止突起的复合增强固体电解质

说明书

固体复合电池分离器被用来使得能够在电池中使用金属负电极。金属负电极可以是锂金属、钠金属、镁金属、锌金属或所列金属的合金。复合分离器包括基质和增强材料，该增强材料被引入基质中以增加复合分离器的断裂韧性。该复合分离器全部或部分地包括一层增强聚合物、陶瓷或玻璃状锂离子导体。复合分离器的基质可以包括聚环氧乙烷、LLZO、LiPON或LATP。复合分离器的增强材料可以包括纤维、颗粒、板或层。增强材料可以包括硅酸盐玻璃、碳纳米管、银纳米线、碳化硅颗粒和金属颗粒。

优先权要求

本申请要求于2017年8月18日提交的并且标题为“Composite Reinforced SolidElectrolyte to Prevent Protrusions”的美国临时专利申请号62/547,155的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本公开总体上涉及电池，并且更特别地涉及用于电池的固态分离器。

背景技术

除非本文中另行指出，否则本部分中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不通过包含在本部分中而被承认为现有技术。

电池利用负电极、正电极和电解质来将化学能转化成电能。负电极和正电极中的每一个包括外部端子连接，该外部端子连接被配置成将电池连接至外部设备并向该外部设备输送电力。电解质在电池内的负电极与正电极之间提供离子通道。电解质对离子导电，但是对电子不导电。当电池被用来完成与外部设备的电路时，在电池放电的时候，负电极充当电子源，并且正电极接受电子。当电子通过外部电路流动时，电解质允许离子在电池内传输电流。在固态电池中，固体材料被用于电解质。固体材料还起到机械地防止负电极与正电极之间接触的作用，并且可以被称为分离器。

正在开发将活性金属或金属合金用作负电极的电池。用于负电极的感兴趣的常见金属是锂金属。与现有技术的锂离子电池相比，包含金属或金属合金负电极的电池的一个优点是对增加的能量密度的潜力。然而，一个挑战是，由于从负电极朝向正电极的金属突起的生长，电池单元可能短路。物理模型已预测到：具有超过大约6 GPa的剪切模量的扁平分离器应当防止锂金属突起的生长，并且使得能够实现锂金属的循环。然而，已经观察到锂突起通过具有超过6 GPa的剪切模量的分离器生长。认为这种生长通过裂纹而发生，该裂纹通过脆性固体电解质传播。

发明内容

固体复合电池分离器被用来使得能够在电池中使用金属负电极。负电极可以是锂金属、钠金属、镁金属、锌金属或所列金属的合金。复合分离器全部或部分地由一层增强聚合物、陶瓷或玻璃状锂离子导体组成。合适的电解质的示例包括聚环氧乙烷、LLZO、LiPON或LATP。增强物可以包括纤维、颗粒或板。用于增强物的合适材料的示例包括硅酸盐玻璃、碳纳米管、银纳米线、碳化硅颗粒和金属颗粒。将增强物引入到脆性分离器以增加断裂韧性并减少金属突起的生长，从而使得能够实现包含金属负电极的电池单元的循环而不短路。除了使得能够实现锂金属电池的循环外，该复合电解质还可以应用于其他金属电池；诸如钠、镁或锌，以及合金（诸如锂硅合金）电池。

附图说明

图1描绘了在脆性分离器中传播的裂纹。

图2描绘了在具有高抗拉强度的棒的复合分离器中阻碍的裂纹传播。

图3描绘了在具有高延展性的颗粒的复合分离器中阻碍的裂纹传播。

图4描绘了在具有高断裂韧性的颗粒的复合分离器中阻碍的裂纹传播。

图5描绘了在具有高断裂韧性的板的复合分离器中阻碍的裂纹传播。

图6描绘了在具有高延展性的板的复合分离器中阻碍的裂纹传播。

图7描绘了在具有高延展性的层的复合分离器中阻碍的裂纹传播。

图8描绘了在具有高断裂韧性的层的复合分离器中阻碍的裂纹传播。