[发明专利]陶瓷-聚合物复合单离子导电薄膜电解质

说明书

一种适合用于电池的高迁移数的薄膜电解质结构包括非导电有机相部分和多个离子导电无机相结构。无机相结构分散贯穿有机相部分并且一般被布置在一层中。无机相结构被配置成跨越有机相部分的厚度，使得每个结构的相应部分被暴露在有机相部分的相对侧上。在有机相部分与无机相结构之间的相应界面经由离子键和/或共价键的未断链而具有强附着力特性。在一些实施例中，界面包括至少一个附着力促进剂，所述附着力促进剂被配置成促进在有机相部分与无机相结构之间的附着力。在一些实施例中，无机相结构具有如下表面：所述表面通过使用表面改性剂而被改性以促进对于有机相部分的附着力。

本申请要求2017年10月12日提交的、美国临时申请62/571,348的权益，所述申请的公开内容通过引用以其全部被并入本文中。

技术领域

本公开内容涉及电池，并且更具体地涉及用于在电池中使用的高迁移数复合薄膜电解质。

背景技术

电池是能够被并入到许多系统中的所存储能量的有用的源。可再充电的锂离子（“Li-离子”）电池或电池单元由于其与其它电化学能量存储设备相比的高的比能量（用Wh/kg来被测量）所以是用于便携式电子器件以及电动载具和混合电动载具的具有吸引力的能量存储系统。然而，当前的Li-离子电池单元正达到其最大能量存储能力（近似250Wh/kg）。在具有该限制的情况下，这些电池单元不能提供具有足以用于具有超过100英里的英里范围的电动载具的存储的安全、低成本电池。为了实现更长范围，需要新一代电池单元，其具有更高的能量密度（至少400Wh/kg）、低成本（小于$125/kWh）、经改善的安全性、以及低环境影响。一个选项包括使用具有被并入到负电极中的锂金属（“Li-金属”）形式的电池单元。与具有常规含碳负电极的电池相比，这些电池单元供给异常高的比能量和能量密度。

作为示例，当在电池中使用高比容量负电极（诸如锂）的时候，在也使用高容量正电极活性材料时，实现在常规系统之上的容量增加的最大益处。常规的锂夹入氧化物（例如、和）典型地被限制到近似280 mAh/g的理论容量（基于锂化氧化物的质量）以及180到250 mAh/g的实际容量。相比之下，锂金属的比容量大约是3863 mAh/g。针对锂离子正电极可实现的最高理论容量是1168 mAh/g（基于锂化材料的质量），其被Li₂S和Li₂O₂共享。包括BiF₃和FeF₃的其它高容量材料也是可用的。然而，前述材料与常规氧化物正电极相比在更低的电压下与锂反应，从而限制理论比能量。然而，前述材料的理论比能量非常高（与针对具有锂负电极以及常规氧化物正电极的电池单元的近似500 Wh/kg的最大值相比，大于800Wh/kg）。

因而，如与具有石墨或其它夹层负电极的电池单元相比，使用锂-金属负电极（有时被称为阳极）的优点是整个电池单元的高得多的能量密度。使用纯Li金属的缺点是：锂是高度反应性的。因此，锂金属具有经历形态学改变的倾向，所述形态学改变使得在电池单元被充电的时候在负电极上及其周围形成具有高表面积的结构。示例性的高表面积结构包括枝晶和苔藓状结构。抑制基于Li金属的电池单元的商业化的一个因素是缺乏合适的薄膜电解质，所述合适的薄膜电解质抑制这些高表面积结构的形成以及为电池单元提供其它有益的功能。

现有的候选固体电解质具有不足够的导电率、低迁移数、以及拙劣的机械性质（例如聚合物）、拙劣的可处理性以及高边界电阻（例如陶瓷）、或对于空气和水的严重化学不稳定性（例如硫化材料）。许多研究组正在寻求用于组合候选材料（诸如聚合物与陶瓷）以实现具有所有可用性质中最佳性质的单个复合材料的方式。该工作中的绝大多数已经在聚合物-陶瓷复合物上被执行，其中所述复合物的聚合物与陶瓷相二者是离子导电的。然而，这样的复合物遭受一些问题，所述问题限制其效用。具体地，聚合物-陶瓷复合物由于有机相而不能被烧结，并且跨未被烧结的陶瓷中的晶粒的导电率典型地极拙劣。附加地，在聚合物和陶瓷相之间的界面导电率典型地非常拙劣。锂离子导电率路径倾向于排他地通过聚合物，但是聚合物相在机械上不足够强以致不能抵抗枝晶渗透。