具有铝基阳极的固态电池的制作方法

本公开大体上涉及冶金学，并且更具体地涉及含有铝基阳极活性材料的固态电池。

背景技术：

1、常规的锂离子电池通常包括阴极、阳极以及其间被电解质浸透的间隔件。阴极侧和阳极侧的集电器用于在阴极与阳极之间传导电流，而电解质则允许锂离子在阴极与阳极之间传输。由于涉及的电位，通常使用铜作为阳极集电器，且通常使用铝作为阴极集电器。锂金属氧化物，如锂钴氧化物，通常用作锂离子电池阴极，而石墨通常用作锂离子电池阳极。

技术实现思路

1、术语实施方案和相似术语意图广泛地是指本公开的主题和以下权利要求书的全部。包含这些术语的陈述不应被理解为限制本文所述的主题，或者限制以下权利要求书的含义或范围。本文所涵盖的本公开的实施方案由以下权利要求书而非本
技术实现要素：
限定。本发明内容是本公开的各个方面的高层次概述，并且介绍了在以下具体实施方式部分中进一步描述的构思中的一些。本发明内容既不意图标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图独立地用于确定所要求保护的主题的范围。主题应通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解。

2、在各种方面中，本文描述了固态电池或电化学电芯。本文所述的固态电池包括铝基阳极材料，铝基阳极材料可用作碱金属合金化阳极，并且与常规锂离子电池和固态电池中使用的阳极不同。铝基碱金属合金化阳极可以展现出比常规阳极材料(如石墨)明显更高的锂容量。例如，铝基碱金属合金化阳极可以将锂原子掺入铝的晶体基质中，这意味着与同等体积的石墨相比，每单位体积可以掺入更多的锂，其中锂原子插入并容纳在石墨层之间。这样，与常规的石墨阳极相比，阳极的尺寸和/或质量可以减小，同时保持或甚至增加总容量。在一些示例中，本文所述的固态电池可以包括展现出300mah/g至1000mah/g的比容量的阳极，诸如300mah/g至350mah/g、350mah/g至400mah/g、400mah/g至450mah/g、450mah/g至500mah/g、500mah/g至550mah/g、550mah/g至600mah/g、600mah/g至650mah/g、650mah/g至700mah/g、700mah/g至750mah/g、750mah/g至800mah/g、800mah/g至850mah/g、850mah/g至900mah/g、900mah/g至950mah/g，或950mah/g至1000mah/g。

3、此外，本文所述的固态电池包括固态电解质，固态电解质与常规液体电解质不同并且相对于常规液体电解质提供许多优点。铝基阳极和固态电解质的组合还可以通过减少或消除各种制造步骤期间的溶液或液体处理而为有利的，因为固态电解质和铝基阳极都可以作为固体材料与制备好的阴极材料一起组装以产生固态电池。

4、在一些示例中，固态电池可以包含阳极(诸如包含铝作为阳极活性材料的阳极)、阴极以及阳极与阴极之间的固态电解质。例如，阳极可以包含铝基碱金属合金化阳极，诸如其中碱金属是锂。任选地，阳极包含铝合金或回收成分铝合金。例如，使用回收成分铝合金可用于增加固态电池的可持续性或减少与固态电池相关联的总体碳足迹。

5、在示例中，阳极可以包含箔或者以箔的形式存在，诸如铝基多组分箔。在一些示例中，阳极的厚度为5μm至60μm，诸如5μm至10μm、10μm至15μm、15μm至20μm、20μm至25μm、25μm至30μm、30μm至35μm、35μm至40μm、40μm至45μm、45μm至50μm、50μm至55μm，或55μm至60μm。

6、任选地，铝基多组分箔可以包含铝或铝合金以及硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种。应了解，铝基阳极在吸收和释放锂期间可能会发生体积变化；这些非铝元素可以增强铝用作合金化阳极的能力，诸如通过为合金化阳极提供结构完整性和/或导电基体。在一些示例中，阳极包含箔，所述箔包括40重量％至99重量％的铝或铝合金以及30重量％至60重量％的硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种。例如，阳极可以包含铝或铝合金，其量为40重量％至45重量％、45重量％至50重量％、50重量％至55重量％、55重量％至60重量％、60重量％至65重量％、65重量％至70重量％、70重量％至75重量％、75重量％至80重量％、80重量％至85重量％、85重量％至90重量％、90重量％至95重量％或95重量％至99重量％。任选地，阳极可以包含硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种，其总量为30重量％至35重量％、35重量％至40重量％、40重量％至45重量％、45重量％至50重量％、50重量％至55重量％或55重量％至60重量％。在一些示例中，铝合金可以是钎焊合金，

7、在一些示例中，阳极包含复合箔，诸如包括第一多个铝或铝合金颗粒以及选自金属颗粒或非金属颗粒中的至少一者中的第二多个颗粒。有用的金属或非金属颗粒可以包括除铝之外的元素，诸如硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种。

8、任何合适的固态电解质均可用于本文所述的固态电池。例如，固态电解质可以是无机固体电解质或者包含无机固体电解质，但是也可以使用其他固态电解质，诸如聚合物固体电解质或凝胶聚合物电解质。任选地，固态电解质包含锂硫银锗矿材料、li6ps5cl、锂超离子导体(lisicon)、掺杂石榴石材料、li7la3zr2o12(llzo)、li10gep2s12、li10snp2s12、锂磷硫化物(li3ps4)或锂磷氧氮化物(lipon)。固态电解质可以具有任何合适的厚度。在示例中，固态电解质的厚度可为约10μm至约300μm，诸如10μm至20μm、20μm至30μm、30μm至40μm、40μm至50μm、50μm至75μm、75μm至100μm、100μm至125μm、125μm至150μm、150μm至175μm、175μm至200μm、200μm至225μm、225μm至250μm、250μm至275μm或275μm至300μm。

9、任何合适的阴极均可用于本文所述的固态电池。例如，阴极可以包含碱离子宿主材料或碱金属-过渡金属氧化物阴极活性材料。任选地，阴极可以包含锂镍锰钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂、锂钴氧化物、转化阴极、fes2、fef3、硫基阴极或硫。

10、其他合适的组分可以任选地包括在本文所述的固态电池中。例如，固态电池还可以包含以下中的一者或多者：与阴极接触的阴极集电器；或与阳极接触的阳极集电器。任选地，阳极集电器和/或阴极集电器包含受保护的铝合金箔。任选地，阳极集电器包含铜箔。

11、在一些示例中，阳极、固态电解质和阴极呈堆叠状，并且在它们之间施加有压力。例如，在阳极与阴极之间施加的堆叠压力可为约0.1mpa至约30mpa，诸如0.1mpa至0.5mpa、0.5mpa至1mpa、1mpa至2mpa、2mpa至3mpa、3mpa至4mpa、4mpa至5mpa、5mpa至7.5mpa、7.5mpa至10mpa、10mpa至12.5mpa、12.5mpa至15mpa、15mpa至17.5mpa、17.5mpa至20、20mpa至22.5mpa、22.5mpa至25mpa、25mpa至27.5mpa、27.5mpa至30mpa。

12、在另一个示例中，可以任选地包括的另一种组分是界面材料。例如，固态电池还可以包含在阳极与固态电解质之间的界面材料。任选地，界面材料包含固体电解质中间相、人工固体电解质中间相、聚合物涂层、碳涂层或无机涂层。

13、在另一个方面中，本文描述了制造固态电池或电化学电芯的方法。该方面的示例方法包括：提供阳极，诸如包含铝作为阳极活性材料的阳极；提供阴极；以及将固态电解质定位在阳极与阴极之间。该方面的方法可以包括或还包括以下中的一者或多者：将阳极与阳极集电器接触或将阴极与阴极集电器接触。

14、任选地，提供阳极包括制备铝基多组分箔，诸如包含铝或铝阳极以及硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种的铝基多组分箔。

15、可以使用各种方法来制备铝基多组分箔。在一些示例中，制备铝基多组分箔包括：铸造包含铝以及硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种的铝基多组分产品以产生铝基多组分产品；以及将铝基多组分产品轧制成箔。在一些示例中，制备铝基多组分箔包括：获得铝与硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种的粉末混合物；以及对粉末混合物进行激光粉末床熔合工艺以产生铝基多组分产品。在一些示例中，制备铝基多组分箔包括对铝或铝合金以及一定量的硅、锡、铟、镓、锑、铅、镍、铜、碳、锗、锌或银中的一种或多种进行累积叠轧结合以产生铝基多组分产品。在一些示例中，制备铝基多组分箔包括使用粉末冶金、增材制造、金属泡沫、通过激光或深度蚀刻形成穿孔、脱合金(例如，化学脱合金)或其他方法来形成微孔或纳米孔铝基多组分产品。任选地，制备铝基多组分箔包括或还包括将铝基多组分产品轧制成箔。

16、其他目的和优点将从以下对非限制性示例的详细描述中变得显而易见。