СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОДНОГО СЛОЯ ИЗ ШАРИКОВ АКТИВНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2020 года по МПК H01M4/02 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка испрашивает приоритет по заявке на патент Тайваня 108127695, поданной в Тайваньское патентное ведомство 5 августа 2019 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к структуре электродного слоя, в частности к структуре электродного слоя из шариков активного материала.

Предшествующий уровень техники

Для существующих литий-ионных вторичных батарей в качестве среды для перемещения ионов лития обычно используется жидкий электролит. Однако летучие свойства жидкого электролита могут иметь отрицательное влияние на организм человека и окружающую среду. Кроме того, пользователи батарей также сталкиваются с серьезными проблемами безопасности из-за воспламеняемости жидкого электролита. Также, одной из причин дестабилизации литиевых батарей является более высокая поверхностная активность отрицательного электрода и более высокое напряжение положительного электрода. Когда жидкий электролит непосредственно контактирует с электродами, границы раздела между ними дестабилизируются, и происходит экзотермическая реакция с образованием пассивирующего слоя. Эти реакции потребляют жидкий электролит и ионы лития и генерируют тепло. Когда происходит локальное короткое замыкание, локальная температура быстро повышается. Пассивирующий слой становится нестабильным и выделяет тепло. Эта экзотермическая реакция накапливается, вызывая дальнейшее повышение температуры всей батареи. Одна из проблем безопасности использования батареи заключается в том, что как только температура батареи повышается до определенной стартовой температуры (температуры запуска), инициируется термический разгон, который вызывает воспламенение или взрыв батареи. Это главная проблема безопасности при использовании таких батарей.

В последние годы предметом исследований являются твердые электролиты. Ионная проводимость твердых электролитов аналогична ионной проводимости жидких электролитов, но они не испаряются и не горят. Кроме того, границы раздела между твердыми электролитами и поверхностью активных материалов относительно стабильны, как в химическом, так и в электрохимическом плане. Однако, в отличие от жидкого электролита, площадь контакта твердых электролитов с активными материалами довольно мала, контактная поверхность недостаточная, а коэффициент переноса заряда низкий. Таким образом, существует проблема, заключающаяся в том, что величины сопротивления переноса заряда границ раздела активных материалов с положительным и отрицательным электродами являются высокими. Это неблагоприятно для эффективной передачи ионов лития. Поэтому все еще сложно полностью заменить жидкие электролиты твердыми электролитами.

Более того, для материалов отрицательных электродов литий-ионных батарей теоретическая емкость обычных графит-углеродных материалов отрицательного электрода составляет всего 372 мАч/г, что ограничивает возможности улучшения плотности энергии таких батарей. Имея емкость до 4200 мАч/г, основным фокусом современных исследований стал кремний. Однако, когда в качестве отрицательного электрода используется элементарный кремний, во время процессов зарядки и разрядки может происходить существенное (до 300%) изменение его объема, что может легко привести к образованию пустотной границы между электролитом и элементарным кремнием, что вызовет постоянное снижение производительности электрода. Следовательно, актуальной проблемой, которая должна быть решена в данной области техники, является вопрос эффективного применения больших объемов твердых электролитов с учетом улучшения электрической емкости электродного слоя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей данного изобретения является создание структуры электродного слоя из шариков активного материала для преодоления вышеуказанных недостатков. Используются электролиты двойного типа с различным процентным содержанием или характеристиками. Это позволяет устранить проблемы высокого сопротивления переноса заряда и малой площади контакта, вызванные непосредственным контактом твердого электролита и активного материала. Уменьшается количество органических растворителей, а безопасность батареи повышается.

Кроме того, еще одной целью данного изобретения является создание структуры электродного слоя из шариков активного материала. Используются различные процентные соотношения и конфигурации характеристик электролитов внутри и снаружи шариков из активного материала. Проблемы пустот, вызванные значительным изменением объема активных материалов, могут быть решены с помощью электролитов внутри шариков из активного материала, а сопротивление расширению активных материалов может быть обеспечено электролитами снаружи шариков из активного материала.

Для реализации вышеупомянутого, данное изобретение раскрывает структуру электродного слоя из шариков активного материала, которая включает в себя множество шариков из активного материала и второй смешанный электролит. Шарики из активного материала включают в себя множество частиц активного материала, первый электропроводящий материал, первое связующее вещество и первый смешанный электролит. Используются шарики активного материала и конфигурация с различными характеристиками первого смешанного электролита и второго смешанного электролита. Проблемы пустот, вызванные существенным изменением объема частиц активного материала, могут быть решены с помощью первого смешанного электролита внутри шариков из активного материала, и сопротивление расширению шариков из активного материала может быть обеспечено вторым смешанным электролитом снаружи шариков из активного материала. Кроме того, устраняются проблемы, связанные с высоким сопротивлением переносу заряда и малой площадью контакта, вызванные непосредственным контактом твердого электролита и активного материала. Следовательно, достигается лучшая ионная проводимость наряду с повышенной безопасностью.

Дальнейший объем применимости настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приведенного ниже. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и показывают предпочтительные варианты осуществления изобретения, даны только в качестве иллюстрации, поскольку различные изменения и модификации в пределах сущности и объема изобретения станут очевидными

для специалистов в данной области техники из этого подробного описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение станет более понятным из подробного описания, приведенного ниже только для иллюстрации, и, таким образом, не ограничивающего настоящее изобретение, где:

На Фиг. 1 представлена принципиальная схема шарика из активного материала по данному изобретению.

Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему структуры электродного слоя шариков из активного материала по настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему другого варианта осуществления структуры электродного слоя шариков из активного материала по настоящему изобретению.

Фиг. 4 – это принципиальная схема другого варианта осуществления шарика из активного материала по данному изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пожалуйста, обратитесь к Фиг. 1, которая является принципиальной схемой шарика из активного материала в соответствии с данным изобретением. Как показано, шарик из активного материала 10 предварительно сформирован в виде сферы. Шарик из активного материала 10 включает в себя множество частиц первого активного материала 11, первый электропроводящий материал 12 и первый смешанный электролит 14. Средний диаметр частиц D50 частиц первого активного материала 11 не превышает 60% диаметра шарика из активного материала 10. Изменение объема частиц первого активного материала 11 во время реакций извлечения и введения ионов составляет от 15 до 400%.

Пожалуйста, обратитесь также к Фиг. 2, которая является принципиальной схемой структуры электродного слоя из шариков активного материала в соответствии с данным изобретением. Структура электродного слоя из шариков активного материала 20 по настоящему изобретению состоит из предварительно сформированного шарика из активного материала 10. Первый смешанный электролит 14 расположен внутри шарика из активного материала 10, а второй смешанный электролит 24 расположен снаружи шарика из активного материала 10. Первый смешанный электролит 14 в основном состоит из деформируемого электролита, а второй смешанный электролит 24 в основном состоит из электролита с относительно меньшей деформационной способностью, чем деформируемый электролит первого смешанного электролита 14. Средний диаметр частиц D50 шариков из активного материала 10 не превышает 70% толщины структуры электродного слоя 20. Электролит с относительно большей деформационной способностью выбирают из гелевого электролита, жидкого электролита, ионной жидкости, электролита на основе ионной жидкости, пластичного твердого электролита или их сочетаний. Пластичный твердый электролит выбирается из твердого электролита на основе сульфидов, твердого электролита на основе гидридов, твердого электролита на основе галогенида, полимерного твердого электролита или их сочетаний. Полимерный твердый электролит включает в себя полиэтиленоксид (PEO), поливинилиденфторид (PVDF), полиакрилонитрил (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) и поливинилхлорид (PVC).

Твердым электролитом на основе сульфида может быть Thio-LISICON (LixM1_x005FyM0yS4, где M - это кремний или германий, M0 - это фосфор, алюминий, цинк, галлий или сурьма), Li4-x005FxGe1-x005FxPxS4, Li4GeS4, Li3.9Zn0.05GeS4, Li4.275Ge0.61Ga0.25S4, Li3.25Ge0.25P0.75S4, Li3.4Si0.4P0.6S4, Li2.2Zn0.1Zr0.9S3, Li7P3S11, Li4SnS4, Li10GeP2S12, Li10Ge0.95Si0.05P2S12, Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3, или семейство LGPS, такое как Li10GeP2S12, Li10MP2S12 (где M - Si4 + или Sn4 +), Li10+dM1+dP2-x005FdS12 (где M - Si4 + или Sn4 +), или Li10Ge1-x005FxSnxP2S12, или аргиродитная кристаллическая система, такая как Li6PS5X (где X - хлор, бром или иод) или 67(0.75Li2S·0.25P2S5)·33LiBH4, или тиофосфатного типа, такие как Li4PS4I или Li7P2S8I, или слоистые сульфиды, такие как Li3x[LixSn1-x005FxS2], Li2Sn2S5, Li2SnS3 or Li0.6[Li0.2Sn0.8S2]. Твердым электролитом на основе борогидрида может быть LiBH4-LiI (-LiNH2; -P2I4; -P2S5).

Кроме вышеупомянутых материалов, полимерный твердый электролит также может представлять собой PEO-LiX (где X – ClO4, PF6, BF4, N(SO2CF3)2), PEO–LiCF3SO3, PEO– LiTFSI, PEO–LiTFSI–Al2O3 композитный твердый полимер, PEO–LiTFSI–10% TiO2 композитный твердый полимер, PEO–LiTFSI–10% HNT композитный твердый полимер, PEO–LiTFSI–10% MMT композитный твердый полимер, PEO–LiTFSI–1% LGPS композитный твердый полимер, PEO–LiClO4–LAGP, или полиэтиленгликольдиакрилат (PEGDA), полиэтиленгликольдиметакрилат (PEGDMA), полиэтиленгликольмонометиловый эфир (PEGME), полиэтиленгликольдиметиловый эфир (PEGDME), поли[этилен оксид-со-2-(2-метоксиэтокси)этил глицидиловый эфир] (PEO/MEEGE), полиэтилметакрилат (PEMA), полиоксиэтилен, полицианоакрилат (PCA), полиэтиленгликоль (PEG), поливинилспирт (PVA), поливинилбутираль (PVB), поливинилхлорид (PVC), PVC-PEMA, PEO-PMMA, полиакрилонитрил-co- метилметакрилат P(AN-co-MMA), PVA-PVdF , PAN-PVA, PVC-PEMA или гиперразветвленные полимеры, такие как поли[бистриетиленгликоль бензоат] или поликарбонаты, такие как полиэтиленоксид-co-этиленкарбонат (PEOEC), полиэдрический олигомерный силсесквиоксан (POSS), полиэтиленкарбонат (PEC), полипропиленкарбонат (PPC), полиэтилглицидилэфиркарбонат (P (Et-GEC), политрет- бутилглицидилэфиркарбонат 7C_(tBu-GEC) или циклические карбонаты, такие как политриметиленкарбонат (PTMC) или основанные на полисилоксане, такие как полидиметилсилоксан (PDMS), полидиметилсилоксан-co-этиленоксид P(DMS-co-EO), полисилоксан-g-этиленоксид или пластичные кристаллические электролиты (PCE), такие как сукцинонитрил (SN), PEO/SN, ETPTA/SN, PAN/PVA-CN/SN или полиэфиры, такие как этиленадипат, этиленсукцинат, этиленмалонат, или полинитрилы, такие как полиакрилонитрил (PAN), полиметакрилонитрил (PMAN), поли(N-2- цианоэтил)этиленамин (PCEEI), поливинилидендифторидгексафторпропилен (PvdF-HFP), поливинилидендифторид (PvdF), поли(ε-капролактон) (PCL).

Электролит с относительно меньшей деформационной способностью выбирается из твердого электролита с более высокой твердостью (изначально меньшей вязкостью разрушения), такого как твердый электролит на основе оксидов, и его вязкость разрушения составляет приблизительно 1 МПа*м0.5. Твердый электролит на основе оксидов представляет собой электролит на основе оксида лития-лантана-циркония (LLZO) или электролит на основе фосфата лития-алюминия-титана (LATP) и их производные. В общем, описание материалов электролитов с относительно большей деформационной способностью или относительно меньшей деформационной способностью приведено только для иллюстрации и не предназначено для ограничения настоящего изобретения именно этими электролитами с относительно большей деформационной способностью или относительно меньшей деформационной способностью. Определенная выше относительно большая деформационная способность и относительно меньшая деформационная способность относятся к деформации, которую электролиты могут восстанавливать до исходного состояния после деформирования. Например, если во время деформации произошла фрагментация, ее следует называть невосстановимой. Это не должно входить в объем относительно большей деформационной способности и относительно меньшей деформационной способности, определенной в данном изобретении.

Когда первый смешанный электролит 14 выбран из гелевого электролита, жидкого электролита или ионной жидкости, первый смешанный электролит 14 экструдируется частицами первого активного материала 11, что вызвано расширением во время процессов зарядки и разрядки. Следовательно, первый смешанный электролит 14 будет слегка выдавливаться из шарика активного материала 10. Когда происходит объемное сжатие частиц первого активного материала 11, первый смешанный электролит 14 всасывается в шарик активного материала 10. Следовательно, в течение всего процесса зарядки и разрядки пустоты не возникнут, как не возникнут и связанные с пустотами проблемы. Когда первый смешанный электролит 14 представляет собой пластичный твердый электролит, сжатый первый смешанный электролит 14 будет образовывать буферную зону из-за эластичности пластичного твердого электролита. Кроме того, если доля пластичного твердого электролита в первом смешанном электролите 14 выше, он также может ограничивать частицы активного материала 11.

Второй смешанный электролит 24 расположен снаружи шариков активного материала 10 и заполняет зазоры между шариками активного материала 10 таким образом, чтобы быть рядом с внешними поверхностями шариков активного материала 10. Благодаря тому, что второй смешанный электролит 24 в основном состоит из электролита с относительно меньшей деформационной способностью, он может создавать сопротивление расширению объема шариков активного материала 10. Будучи сконфигурированным, второй смешанный электролит 24 может пересекать или частично проникать за границу шариков активного материала 10. Шарики активного материала 10, показанные на фигурах, служат только для иллюстрации и данные фигуры не ограничивают их границы, поддерживая такое полное состояние. Второй смешанный электролит 24, изображенный на фигурах, также предназначен только для иллюстрации, а не для ограничения его положения, размера, распределения и т.д.

Первый смешанный электролит 14 может также включать электролит с относительно меньшей деформационной способностью, а второй смешанный электролит 24 может также включать электролит с относительно большей деформационной способностью, но с другим объемным содержанием. Например, объемное содержание электролита с относительно большей деформационной способностью в первом смешанном электролите 14 составляет более 50% от общего объема первого смешанного электролита 14, предпочтительно, более 90%. Объемное содержание электролита с относительно меньшей деформационной способностью во втором смешанном электролите 24 составляет более 50% от общего объема второго смешанного электролита 24, предпочтительно, более 90%.

Следовательно, благодаря разному процентному содержанию и конфигурации характеристик электролитов внутри и снаружи шариков активного материала 10, для шариков активного материала 10 может быть обеспечено сопротивление их расширению.

Кроме того, площадь контакта и состояние частиц активного материала и электролитов поддерживаются в лучшем состоянии, а также могут быть решены проблемы пустот, вызванные существенным изменением объема частиц активного материала.

Чтобы более четко определить вышеупомянутые шарики из активного материала 10, последующее описание иллюстрирует только один из возможных процессов их изготовления. Когда первый смешанный электролит 14 находится в жидком состоянии, то сначала частицы активного материала 11, первый электропроводящий материал 12 и первое связующее вещество (не показано на фигуре) смешивают с растворителем и затем наносят на временную подложку. Временную подложку удаляют после последовательной сушки и удаления растворителя, а затем дробят с использованием шаровой мельницы для получения шариков активного материала 10. Между тем, после удаления растворителя отверстия, образованные в шариках активного материала 10, имеют грубую и неоднородную форму. Они могут быть заполнены первым смешанным электролитом 14.

Поскольку отверстия должны быть заполнены электролитами, первый смешанный электролит 14 в основном состоит из электролита с относительно большей деформационной способностью, чтобы легко заполнять пространство отверстий.

Благодаря характеристикам пластичности и способности к деформации электролит может деформироваться в соответствии с размером или формой отверстий. Следовательно, электролит может быть точно наполнен в отверстия для обеспечения контакта первого смешанного электролита 14 и частиц активных материалов 11. Кроме того, когда первый смешанный электролит 14 в основном состоит из пластичного твердого электролита, пластичный твердый электролит может быть смешан непосредственно с частицами активного материала 11, первым электропроводящим материалом 12 и первым связующим веществом.

Частицы первого активного материала 11 выбираются из металлического лития, углеродного материала, материалов на основе кремния, таких как кремний и/или оксид кремния, или их сочетаний, которые могут изменять объем во время электрохимических реакций. Первое связующее вещество используется для фиксации их относительных положений или может быть выбрано, отрегулировано или модифицировано в соответствии с характеристиками различных активных материалов для решения производных проблем. Например, в случае кремния и/или оксида кремния в качестве активных материалов, для контроля объемного расширения во время процессов зарядки и разрядки, первое связующее вещество в основном включает сшитый полимер. Объемное содержание сшитого полимера в первом связующем веществе составляет более 70%. Кроме того, при более высокой пропорции первого электропроводящего материала 12 и первого связующего вещества он может обеспечить достаточно высокое усилие ограничения расширения и высокую электропроводность.

В обычном электродном слое (в примере, где кремний и/или оксид кремния (Si/SiOx) и графит непосредственно смешаны), объемное содержание электропроводящего материала составляет около 5%, объемное содержание связующего вещества –около 7%, а объемное содержание активных материалов, включая кремний и/или оксид кремния (Si/SiOx) и графит, составляет около 88%. Однако, в соответствии с данным изобретением объемное содержание первого электропроводящего материала 12 в шариках из активного материала 10 составляет от 7% до 10%, а объемное содержание первого связующего вещества в шариках из активного материала 10 составляет от 10% до 15 %. Следовательно, с большим количеством первого связующего вещества, основным компонентом которого является сшитый полимер, оно может значительно увеличить силу ограничени расширения, чтобы эффективно контролировать существенное изменение объема кремниевого материала во время процессов зарядки и разрядки.

Первый электропроводящий материал 12 может включать искусственный графит, технический углерод, ацетиленовую сажу, графен, углеродные нанотрубки, углеродное волокно, выращенное из паровой фазы (VGCF), или их сочетания. Углеродные нанотрубки и VGCF могут не только использоваться в качестве электропроводящих материалов, но также обладают способностью поглощать электролит и упругие деформации. Первое связующее вещество в основном представляет собой сшитый полимер с сильной физической или химической адгезией. Следовательно, первое связующее вещество имеет меньшую эластичность. Например, первое связующее вещество может также иметь хорошего донора электронов с кислотной группой, включая полиимид (PI), акриловую смолу, эпоксидную смолу или их сочетание. При вышеупомянутом более высоком количестве связующего вещества первое связующее вещество с высокой жесткостью может использоваться для ограничения частиц активного материала для контроля масштаба расширения частиц активного материала после зарядки и разрядки. Следовательно, не поддающиеся восстановлению пустые зоны будут контролироваться или же их появления удастся избежать.

Большее количество жесткого первого связующего вещества и первого электропроводящего материала 12 уменьшит способность к изгибу, а также ограничит уменьшение соотношения оставшихся активных материалов. Следовательно, удельная емкость батареи будет уменьшена. Однако шарики из активного материала 10 по настоящему изобретению представляются только как часть активных материалов в структуре электродного слоя, поэтому такие проблемы не возникнут, то есть эти дефекты не будут влиять на структуру электродного слоя по настоящему изобретению, что будет подробно описано ниже.

Пожалуйста, вернитесь к фигуре 2. Предварительно сформированные шарики активного материала 10 и второе связующее вещество смешивают для образования структуры электродного слоя шариков из активного материала 20. Второе связующее вещество отличается от первого связующего вещества. Например, первое связующее вещество в основном состоит из жесткого связующего вещества для контроля изменения объема шариков активного материала 10. Следовательно, эластичность первого связующего вещества будет низкой. Второе связующее вещество выбирается из связующих веществ с хорошей эластичностью. Следовательно, эластичность второго связующего вещества лучше, чем эластичность первого связующего вещества. Второе связующее вещество в основном состоит из линейного полимера с хорошей эластичностью, включая поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP), стирол-бутадиен (SBR) и натрий-карбоксиметилцеллюлозу (CMC), чтобы поддерживать гибкость структуры электродного слоя шариков активного материала 20. Такие материалы, как PVDF, PVDF-HFP, SBR имеют губчатую структуру, которая может обладать высокой способностью поглощать электролит.

Второе связующее вещество, второй электропроводящий материал 22 и второй смешанный электролит 24 смешиваются между шариками активного материала 10, то есть снаружи шариков активного материала 10. Второй смешанный электролит 24 находится дальше от частиц первого активного материала 11, чем первый смешанный электролит 14 шариков активного материала 10.

По сравнению с требованиями к первому смешанному электролиту 14, который обеспечивает большую поверхность контакта частиц активного материала 11 для получения лучшей передачи заряда, требования ко второму смешанному электролиту 24, который находится далеко от частиц активного материала 11, касательно эффективной площади контакта ниже. Следовательно, второй смешанный электролит 24 в основном состоит из электролита с относительно меньшей деформационной способностью. В дополнение к значительному уменьшению количества органического растворителя, геля и жидкого электролита, он обладает лучшей термостабильностью и характеристиками рассеивания тепла, что стабильно обеспечивает безопасность. Кроме того, электролит с относительно меньшей деформационной способностью может ограничивать шарики активного материала 10. Это означает, что электролит с относительно меньшей деформационной способностью, такой как твердый электролит, используется для ограничения или противодействия ухудшению внутреннего распределения шариков активного материала 10, вызванному расширением находящихся внутри частиц активного материала 11, особенно объемной усадкой и расширением во время циклов зарядки и разрядки. Кроме того, из-за более низких требований к эффективной площади контакта, электролит с относительно меньшей деформационной способностью может быть использован для предопределения ионной проводимости, чтобы позволить ионам лития выполнять высокоскоростной и объемный перенос между электролитом с относительно меньшей деформационной способностью и шариками активного материала или между различными электролитами с относительно меньшей деформационной способностью.

Состав электролита с относительно меньшей деформационной способностью и электролита с относительно большей деформационной способностью может быть таким же, как описано выше, и процесс формирования или заполнения тоже является таким же и здесь повторяться не будет.

Пожалуйста, обратитесь к фигуре 3, на которой изображено множество частиц второго активного материала 21 и второго электропроводящего материала 22, расположенного среди шариков активного материала 10. Второй электропроводящий материал 22 может включать в себя искусственный графит, технический углерод, ацетиленовую сажу, графен, углеродные нанотрубки, углеродное волокно, выращенное из паровой фазы (VGCF) или их сочетания. Состав первого электропроводящего материала 12 и второго электропроводящего материала 22 может быть одинаков или различен. Частицы второго активного материала 21 должны быть выбраны в соответствии со свойствами шариков активного материала 10. Характеристики материала частиц второго активного материала отличаются от характеристик материала частиц первого активного материала 11.

Кроме того, шарики активного материала 10 могут включать в себя множество частиц третьего активного материала 31, показанных на фигуре 4, с характеристиками материала, отличными от характеристик материала частиц первого активного материала 11. Состав частиц третьего активного материала 31 и частиц первого активного материала 11 может быть одинаковым или различным.

Соответственно, это изобретение раскрывает структуру электродного слоя из шариков активного материала, которая включает в себя множество шариков из активного материала и второй смешанный электролит, второй электропроводящий материал и второе связующее вещество, расположенные снаружи шариков из активного материала. Шарики активного материала формируются заранее. Шарики активного материала включают первый смешанный электролит, который в основном состоит из электролита с относительно большей деформационной способностью. Второй смешанный электролит состоит в основном из электролита с относительно меньшей деформационной способностью. В этих конфигурациях высокоскоростная передача ионов вне шариков из активного материала и разнонаправленная передача внутри шариков из активного материала предопределяются заранее для достижения лучшей ионной проводимости. Также, уменьшается количество используемого органического растворителя (геля или жидкого электролита), чтобы улучшить тепловые характеристики и обеспечить безопасность. Кроме того, первое связующее вещество, состоящее из жесткого связующего вещества, используется для формирования шариков активного материала и ограничения их внутри, что позволяет эффективно контролировать существенное изменение объема кремниевого материала из-за процессов зарядки и разрядки или других возникающих проблем при сохранении соотношения электропроводности материалов и связующего вещества. И проблемы пустот, вызванные существенным изменением объема, могут быть таким образом решены. Может обеспечиваться гибкость электродного слоя, что улучшит удельную емкость, электропроводность и ионную проводимость.

Таким образом, при описании изобретения будет очевидно, что его можно варьировать разными способами. Такие изменения не должны рассматриваться как отклонение от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые будут очевидны для специалистов в данной области техники, предназначены для включения в объем следующей далее формулы изобретения.

Изобретение относится к структуре электродного слоя, в частности к структуре электродного слоя из шариков активного материала. Структура электродного слоя из шариков активного материала в основном включает шарики из активного материала, изготовленные из частиц активного материала, первый смешанный электролит, расположенный внутри шариков из активного материала, и второй смешанный электролит, расположенный снаружи шариков из активного материала. Первый смешанный электролит в основном состоит из деформируемого электролита. Второй смешанный электролит в основном состоит из электролита с относительно меньшей деформационной способностью, чем деформируемый электролит первого смешанного электролита. Первый смешанный электролит шариков активного материала используется в изобретении для эффективного уменьшения производных проблем изменения объема активных материалов. Кроме того, различная конфигурация первого смешанного электролита и второго смешанного электролита внутри и снаружи шариков активного материала используется для уменьшения сопротивления переноса заряда. Кроме того, обеспечивается сопротивление расширению шариков активного материала. Техническим результатом является улучшение удельной емкости, электропроводности, ионной проводимости наряду с повышенной безопасностью батареи. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Структура электродного слоя шариков активного материала, содержащая:

множество шариков активного материала, каждый из шариков активного материала включает множество частиц первого активного материала, первый электропроводящий материал, первое связующее вещество и первый смешанный электролит; и

второй смешанный электролит, находящийся снаружи шариков активного материала и заполняющий зазоры между шариками активного материала со стороны наружной поверхности шариков активного материала для создания сопротивления объемному расширению шариков активного материала;

в которой первый смешанный электролит в основном состоит из электролита, а второй смешанный электролит в основном состоит из электролита с относительно меньшей деформационной способностью по сравнению с основным электролитом первого смешанного электролита.

2. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, в которой электролит первого смешанного электролита выбирается из гелевого электролита, жидкого электролита, ионной жидкости, электролита на основе ионной жидкости, твердого электролита на основе сульфида, твердого электролита на основе гидрида, твердого электролита на основе галогенида, полимерного твердого электролита или их сочетаний.

3. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 2, в которой полимерный твердый электролит включает в себя полиэтиленоксид (PEO), поливинилиденфторид (PVDF), полиакрилонитрил (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) и поливинилхлорид (PVC).

4. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, в которой объемное содержание электролита с относительно меньшей деформационной способностью второго смешанного электролита составляет более 50% от общего объемного содержания второго смешанного электролита.

5. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 4, в которой объемное содержание электролита с относительно меньшей деформационной способностью второго смешанного электролита составляет более 90% от общего объемного содержания второго смешанного электролита.

6. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 4, в которой электролит с относительно меньшей деформационной способностью выбирается из твердых электролитов на основе оксидов.

7. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 6, в которой твердый электролит на оксидной основе представляет собой электролит на основе оксида лития-лантана-циркония (LLZO) или электролит на основе фосфата лития-алюминия-титана (LATP).

8. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, в которой частицы первого активного материала выбираются из металлического лития, углеродного материала, кремния, оксида кремния или их сочетаний.

9. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, в которой средний диаметр частиц D50 шариков активного материала составляет 70% от толщины структуры электродного слоя, а средний диаметр частиц D50 частиц первого активного материала составляет 60% от диаметра шарика активного материала.

10. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, дополнительно включающая в себя множество частиц второго активного материала с характеристиками материала, отличными от характеристик материала частиц первого активного материала, причем частицы второго активного материала расположены снаружи шариков активного материала.

11. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, в которой шарики активного материала дополнительно включают в себя множество частиц третьего активного материала с характеристиками материала, отличными от характеристик материала частиц первого активного материала.

12. Структура электродного слоя шариков активного материала по п. 1, в которой изменение объема частиц первого активного материала во время реакций экстракции и введения ионов составляет от 15 до 400%.