[发明专利]热熔挤出的固态电池组组件

说明书

共挤电池组组件的方法包括通过热熔挤出形成第一薄膜电池组组件，和通过热熔挤出形成第二薄膜电池组组件。对第一和第二组件中至少一个的表面区域施加表面处理，以致相对于所述至少一个组件的其余部分，所述表面区域具有下列至少一种：降低的粒子间距离、减少的聚合物粘合剂材料的量和增加的暴露出的离子导电材料的量。将第一和第二组件进料经过共挤模头以形成共挤多层薄膜。

相关申请

本公开要求2018年3月5日提交的名称为“热熔挤出的全固态电池组（HOT MELTEXTRUDED ALL SOLID STATE BATTERIES）”的美国临时申请号62/638,657的优先权，其公开内容全部并入本文。

技术领域

本公开大体上涉及电池组，更特别涉及固态电池组。

背景

除非本文中另行指明，这一节中描述的资料不是本申请中的权利要求书的现有技术并且不通过包含在这一节中而被承认为现有技术。

锂(Li)金属的若干品质已促使努力将基于Li金属的组件并入电池组中。Li金属具有3860 mAh/g的理论容量，并因此提供用于Li离子电池组的任何已知阳极材料的最高容量。因此，含有锂金属或锂合金阳极的电池组可具有比含有由其它材料形成的阳极的电池组高的比能。例如，锂/硫和锂/空气电池组有潜力达到500至1000 Wh/kg或更高的比能。但是，这些所需品质伴随着弊端以致妨碍Li金属用作电池组的阳极。

特别地，由于形成电子导电的枝晶结构，具有Li金属阳极的电池组的寿命通常有限。在充电过程中，Li离子从阴极移动到阳极，且在放电过程中反过来。经过连续充电/放电循环，Li离子具有以针状或苔藓状结构，即“枝晶”积聚而非均匀沉积的趋势。枝晶可能由于各种原因形成，包括阳极表面中的不连续、阳极内的杂质和阳极内的特性，如电流密度（mA/cm²）在充电过程中的变化。Li离子经连续循环积聚成枝晶因此从阳极中吸取Li金属材料，并可导致电池组中的寄生容量损失。此外，在最坏的情况下，枝晶会继续生长并在电池组的阳极和阴极之间形成短路。电池组电极之间的短路可严重降低电池组的寿命，并且有可能危险。

在抑制枝晶生长的努力中，具有Li金属阳极的电池组通常包含机械刚性隔膜，如固态聚合物材料、复合氧化物、玻璃和其它化合物。这样的材料可充当物理约束枝晶生长以防止在电池组内形成短路的机械边界。但是，常规固态隔膜材料具有弊端以致对用于形成电池组的方法、电池组的材料和结构以及电池组的运行条件和特征施加限制。

例如，固态氧化物隔膜材料通常需要非常高温的形成过程，例如烧结，这可能导致在电池组形成过程中的温度高于其它电池组组件的稳定性温度。例如，通常由过渡金属氧化物（Ni、Co、Al、Fe、Mn等）和磷酸盐等组成的阴极活性材料具有比在烧结过程中出现的极高烧结温度低的稳定性温度。因此，固态氧化物作为隔膜材料的使用限制了可用于阴极活性材料的材料，或要求电池组的形成将隔膜和阴极的形成分开。常规阴极活性材料，如上列那些，也可能具有高的固体-固体界面阻抗，这可不利地影响电池组的充电倍率性能。因此，固态隔膜材料的使用也可导致电池组具有降低的充电倍率。

在另一实例中，固态硫化物隔膜材料通常具有导致这样的材料不稳定或不能形成体现为薄膜（例如具有大约20微米或更小的厚度）的可接受的隔膜的材料性质。因此，这样的材料会限制可形成的电池组的类型。

此外，对于几种常规的固态隔膜材料，抑制枝晶形成和生长的能力导致弊端以致该材料与其它材料相比作为隔膜的有利度降低。在典型的电池组中，隔膜合意地不是电子导电的，并对用于阳极和阴极的材料化学稳定。许多抑制枝晶生长的隔膜材料具有提高的与电池组组件的反应性，或与其它材料相比表现出降低的电导率。

另外，作为一个实际考虑，隔膜材料合意地适应大规模生产。但是，可抑制枝晶形成和生长的许多材料不太适应能够大规模生产的生产方法。许多传统固态材料需要如流延成型（tape-casting）、冷/热压制、烧结和退火之类的方法，它们是通常不能以高产量输出的分批法。