[发明专利]具有密封阳极结构的混合固态电池

说明书

本发明提供了一种整体式陶瓷电化学电池壳体。所述壳体包括两个或更多个电化学子电池壳体。所述电化学子电池壳体中的每一个均包括：阳极容纳空间、阴极容纳空间、位于阳极容纳空间和阴极容纳空间之间的隔膜以及集成的电子导电电路。第一集成电子导电电路被配置为所述阳极容纳空间内的阳极集电器。第二集成电子导电电路被设置为所述阴极容纳空间内的阴极集电器。

相关申请的交叉引用

本申请是2019年12月3日提交的名称为“具有密封阳极结构的混合固态电池”的美国专利申请序列号16/702,417的申请的部分继续申请，美国专利申请序列号16/702,417的申请是2019年1月30日提交的名称为“具有密封阳极结构的混合固态电池”的美国专利申请号为16/262,058、美国专利号为10,535,900专利的分案申请，而该美国专利申请号16/262,058的申请要求2018年1月31日提交的名称为“混合固态电池”的美国临时申请号62/624,476的申请的优先权，上述申请的内容通过引用整体合并于此。

本申请还涉及于2018年1月30日提交的名称为“陶瓷锂保持装置”的美国专利申请序列号15/883,698的申请，该申请的公开内容通过引用整体合并于此。

技术领域

本发明涉及整体式陶瓷电化学电池壳体以及相关的制造方法。

背景技术

与之前的镍镉和锂金属氢化物电池相比，锂离子电池(LIB)显著改善了能量密度和每瓦时成本。尽管如此，在电动汽车中，生产LIB的制造成本高得令人望而却步。此外，低能量密度导致我们的电子产品比期望的更大、更笨重。该领域的最新改进已经尝试通过增加固态电池的密度来解决这些缺点。

尽管具有锂金属阳极的电池提供了优异的能量密度，但是由于在充电周期期间有形成枝晶的风险，因此可充电电池不能用锂金属阳极来构造。在充电周期中枝晶的形成会导致短路，该短路会在液体电解质着火时引起爆炸和燃烧。液体电解质是高度易燃的有机溶剂，并确实会防止阳极和阴极之间的枝晶生长。因此，LIB通常由嵌入阳极组成，其允许锂离子插入晶体结构而不是电镀到集电器上。将锂离子插入晶体结构会将阳极的有效能量存储容量降低到小于锂金属理论容量的10％。

液体电解质还限制了电池的最大电压。典型的液体电解质会在阳极和阴极之间高于四伏的电压差下分解，这有效地将LIB的最大开路电压限制为约3.8伏。可以在锂阳极上产生6伏电压的阴极材料被认为是实用的，但却不适用于带有液体电解质的电池。使用这种高电压阴极的能力可以将电池的能量密度提高50％。

一种明显的解决方案是使用不易形成枝晶的非易燃电解质，其不受6伏以上电势的影响，并具有等于或接近液体电解质的离子电导率。尽管具有高锂离子电导率的陶瓷满足这些要求，但它们也具有妨碍实际应用的物理和化学特性。例如，陶瓷材料通常非常坚硬且具有脆性。此外，实际的电池由子电池堆叠组成，每个子电池又包括电化学电池的基本组件的非常薄的层。常见的方法包括通过成片地生产薄层(隔膜的厚度40μm)并按顺序组装它们来构造电池。然而，薄层是易碎的并且很少是平坦的，从而导致跨接面的各个层之间的不连续接触。向层的堆叠施加压力趋于改善接触，但是不可接受地增加了使层破裂的风险。

此外，对层的堆叠施加压力不能在层之间建立整体连接，而是在两个表面之间产生压力接触。典型的电池材料具有化学活性，导致该接触与周围环境发生反应。换句话说，即使在类似材料之间的表面接触也将易于在接触点处增加离子和/或电阻。