含锂电极的保护涂层及其制造方法技术

提供了一种具有保护涂层的含锂电极和包括其的含锂电化学电池。保护涂层具有包括第一含氟聚合物基质和Li‑F化合物的第一层和包括第二含氟聚合物基质的第二层。还提供了通过施涂第一含氟聚合物和/或第一含氟聚合物前体和第二含氟聚合物和/或第二含氟聚合物前体在含锂电极上制备保护涂层的方法。

【技术实现步骤摘要】
含锂电极的保护涂层及其制造方法引言本专利技术大体上涉及含锂电极，具体涉及像锂离子电池这样的含锂电化学电池的含锂电极(例如锂金属负极)的保护涂层以及制备这种保护涂层的方法。电化学电池(如蓄电池)是一种通过电化学还原-氧化(氧化还原)反应将化学能转化为电能的装置。在二次电池或可充电电池中，这些电化学反应是可逆的，使得电池能够进行多次充电和放电循环。高能量密度电化学电池(如锂离子电池)可以用于各种消费产品和车辆，比如混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子电池、锂硫电池和锂金属电池包括第一电极、第二电极、电解质材料和隔膜。一个电极用作正极或阴极，另一个电极用作负极或阳极。可以将一堆电池单元以电气方式连接起来以增加总输出。传统的可充电锂离子电池通过在正极和负极之间来回可逆地传递锂离子来工作。隔膜和电解质设置在正极和负极之间。电解质适合于传导锂离子，并且可以是固体(例如固态扩散)或液体形式。每个正极和负极通常都承载在或连接到金属集流体上，例如，以电极材料薄层的形式。集流体可通过可中断的外部电路彼此连接，电子可以通过该外部电路从一个电极传递到另一个电极，而锂离子在电池的充电和放电过程中以相反的方向通过电化学电池迁移。锂离子电池可以根据需要可逆地向相关联的负载装置供电。更具体地说，可以通过锂离子电池向负载装置供应电力，直到有效地耗尽负极中的锂含量。然后，可以通过在电极之间沿相反方向传递合适的直流电来对电池进行充电。在放电过程中，负极可包含相对高浓度的嵌入锂，其被氧化成锂离子和电子。锂离子从负极(阳极)行进到正极(阴极)，例如，通过插入的多孔隔膜的孔内包含的离子导电电解质溶液。同时，电子通过外部电路从负极到达正极。锂离子可以通过电化学还原反应被同化到正极材料中。在部分或完全放电其可用容量之后，电池可以通过外部电源充电，该过程逆转了在放电过程中发生的电化学反应。在充电过程中，正极中的嵌入锂被氧化成锂离子和电子。锂离子经由电解质通过多孔隔膜从正极行进到负极，而电子通过外部电路到达负极。锂阳离子在负极处还原成元素锂并储存在负极材料中以便回用。
技术实现思路
本部分将提供本专利技术的总体概述，但并非其全部范围或其所有特征的全面公开。在某些方面，本专利技术提供了一种在具有包含锂的表面的含Li电极上制备保护涂层的方法。该方法可包括将第一含氟基质前体施涂到含Li电极的含Li层的表面上以形成包括第一含氟聚合物基质和Li-F化合物的第一层。第一含氟基质前体可包括第一含氟聚合物和/或第一含氟聚合物前体。该方法可进一步包括将第二含氟基质前体施涂到含Li电极上以形成包括第二含氟聚合物基质的第二层。第二含氟基质前体可包括第二含氟聚合物和/或第二含氟聚合物前体。第二层可以与第一层相邻。第一层可具有大于第二层的氟含量。第一层可具有约5at％至约70at％的氟含量。第一层可具有约1nm至约5μm的厚度，和/或第二层可具有约1nm至约5μm的厚度。第一含氟基质前体和第二含氟基质前体可以相同或不同。第一含氟聚合物和第二含氟聚合物可以相同或不同和/或第一含氟聚合物前体和第二含氟聚合物前体相同或不同。第一含氟聚合物和第二含氟聚合物可各自选自由以下组成的组：聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基链烷(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、全氟弹性体(FFPM)及其组合，和/或第一含氟聚合物前体和第二含氟聚合物前体各自形成选自由以下形成的组的聚合物：PVF、PVD、PTFE、PCTFE、PFA、FEP、ETFE、ECTFE、FFPM及其组合。第一含氟聚合物可以是PTFE，第二含氟聚合物可以是PVDF。第一含氟聚合物和/或第二含氟聚合物可通过物理气相沉积，化学气相沉积或湿化学来施涂。在施涂第一含氟聚合物或第一含氟聚合物前体之前，该方法可进一步包括处理Li金属电极以去除存在于含Li层上的钝化层。该方法可以进一步包括在施涂第一含氟聚合物和/或第一含氟聚合物前体之后和/或在施涂第二含氟聚合物和/或第二含氟聚合物前体之后，将含Li电极保持在小于或等于约150℃的温度下至多约24小时。在其他方面，本专利技术提供了一种含Li电极。含Li电极可包括含Li层、与含Li层表面相邻的第一层以及与第一层相邻的第二层。第一层可包括第一含氟聚合物基质和Li-F化合物。第二层可包括第二含氟聚合物基质。第一层可具有大于第二层的氟含量。第一层可具有约5at％至约70at％的氟含量。第一层可具有约1nm至约5μm的厚度，和/或第二层可具有约1nm至约5μm的厚度。第一含氟聚合物基质和第二含氟聚合物基质可各自衍生自选自由以下组成的组的含氟聚合物：聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基链烷(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、全氟弹性体(FFPM)及其组合。第一含氟聚合物基质可衍生自PTFE，第二含氟聚合物基质可衍生自PVDF。在其他方面，本专利技术提供了一种含Li电化学电池。含Li电池可包括：负极层，其包括含Li电极；正极层，其与负极层间隔开；多孔隔膜，其设置在正极层和负极层的相对表面之间；以及液体电解质，其渗透负极层、正极层和多孔隔膜。含Li电极可包括含Li层、与含Li层表面相邻的第一层以及与第一层相邻的第二层。第一层可包括第一含氟聚合物基质和Li-F化合物。第二层可包括第二含氟聚合物基质。第一层可具有大于第二层的氟含量。第一层可具有约5at％至约70at％的氟含量。第一层可具有约1nm至约5μm的厚度，和/或第二层可具有约1nm至约5μm的厚度。第一含氟聚合物基质和第二含氟聚合物基质可各自衍生自选自由以下组成的组的含氟聚合物：聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基链烷(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、全氟弹性体(FFPM)及其组合。第一含氟聚合物基质可衍生自PTFE，第二含氟聚合物基质可衍生自PVDF。根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。本
技术实现思路
中的描述和具体实例仅用于说明的目的，并不旨在限制本专利技术的范围。附图说明本文描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本专利技术的范围。图1A是根据本专利技术的一个方面的一种具有保护涂层的含锂电极的横截面图。图1B是根据本专利技术另一方面的一种具有保护涂层的含锂电极的横截面图。图2是根据本专利技术的一个方面的一种含锂电化学电池的横截面图。图3是根据本专利技术的一个方面的一种包括多个堆叠的电化学电池的锂离子电池的局部透视图。图4是PTFELi电极和PTFE不锈钢的照片。图5A-5C分别是放大倍数为50X、5000X和50000X的PTFELi电极的场发射扫描电镜(FE-SEM)图像。图6描述了PTFELi电极的X射线衍射(XRD)图案。图7A-7C分别描述了PTFE板、PTFE不锈钢和PTFELi电极的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。图8描述了PVDF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在含Li电极上制备保护涂层的方法，所述含Li电极具有包含Li的表面，所述方法包括：将第一含氟聚合物和/或第一含氟聚合物前体施涂到所述含Li电极的含Li层的表面上以形成包括第一含氟聚合物基质和Li‑F键的第一层；以及将第二含氟聚合物和/或第二含氟聚合物前体施涂到所述含Li电极上以形成包含第二含氟聚合物基质的第二层，其中所述第二层与所述第一层相邻；以及其中所述第一层具有大于所述第二层的氟含量。

【技术特征摘要】
2018.04.06 US 15/9472721.一种在含Li电极上制备保护涂层的方法，所述含Li电极具有包含Li的表面，所述方法包括：将第一含氟聚合物和/或第一含氟聚合物前体施涂到所述含Li电极的含Li层的表面上以形成包括第一含氟聚合物基质和Li-F键的第一层；以及将第二含氟聚合物和/或第二含氟聚合物前体施涂到所述含Li电极上以形成包含第二含氟聚合物基质的第二层，其中所述第二层与所述第一层相邻；以及其中所述第一层具有大于所述第二层的氟含量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一层具有约5原子％至约70原子％的氟含量。3.据权利要求1所述的方法，其中所述第一层具有约1nm至约5μm的厚度和/或所述第二层具有约1nm至约5μm的厚度。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一含氟聚合物和所述第二含氟聚合物相同或不同和/或所述第一含氟聚合物前体和所述第二含氟聚合物前体相同或不同。5.根据权利要求1的方法，其中所述第一含氟聚合物和所述第二含氟聚合物各自选自由以下组成的组：聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVD...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖兴成，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US