电极结构及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种电极结构，更具体为在电化学电池中使用的电极结构。本文中描述的电极结构可以包括一个或更多个保护层。在一组实施方案中，可以通过将锂金属表面暴露于包含气体离子的等离子体以在锂金属之上形成陶瓷层来形成保护层。陶瓷层对于锂离子可以是高传导的，并且可以防止下面的锂金属表面与电解质中的组分反应。在一些情况下，离子可以是氮离子，可以在锂金属表面上形成氮化锂层。在其他实施方案中，该保护层可以通过在高压下将锂转化成氮化锂来形成。还提供了用于形成保护层的其他方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极结构及其制造方法
本专利技术涉及一种电极结构，更具体地涉及一种在电化学电池中使用的电极结构。
技术介绍
典型的电化学电池具有参与电化学反应的阴极和阳极。一些电化学电池(例如，可再充电电池)可能经受充电/放电循环，该充电/放电循环涉及阳极表面上的金属(例如，锂金属)的脱出和沉积，伴随有阳极表面上的金属与其他电池组分(例如，电解质组分)的寄生反应，其中金属可以在放电期间从阳极表面扩散。该过程的效率和均匀性会影响电化学电池的高效率运转。在一些情况下，随着电化学电池经历反复充电/放电循环，往往由于溶解在电解质中的离子的不均匀再沉积，所以一个或更多个电极中的一个或更多个表面可能会变得不平坦。一个或更多个电极中的一个或更多个表面的粗糙化可能导致电池性能越来越差。尽管提出了用于形成电极以及形成界面和/或保护层的各种方法，但是仍需要改进。
技术实现思路
本专利技术涉及电极结构，更具体地涉及在电化学电池中使用的电极结构。还提供了一种电化学电池和包括这样的电极结构的其他制品。在一些情况下，本专利技术的主题涉及相互关联的产品，对于具体问题的可替代的解决方案，和/或一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。在一组实施方案中，提供了一系列制品。在一种实施方案中，提供了一种在电化学电池中使用的制品。该制品包括：包含锂金属的电活性层；与电活性层相邻的氮化锂层，其中氮化锂层的厚度大于1微米且小于20微米。该制品还包括：包含聚合物凝胶和锂盐的电解质层，其中电解质层与氮化锂层相邻，电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，电解质层的屈服强度大于50N/cm2。在另一实施方案中，一种在电化学电池中使用的制品包括：具有第一侧和相对的第二侧的复合结构。该复合结构包括：在第一侧处的主要为锂金属的电活性部分；和在第二侧处的主要为氮化锂的部分。在从第一侧出发朝向第二侧的至少10微米的位置处，复合结构不含Li3N或者复合结构的Li金属与Li3N的摩尔比大于5:1，以及在从第二侧出发朝向第一侧的至少1微米的位置处，复合结构的Li金属与Li3N的摩尔比小于1:1000，锂离子传导率为至少1×10-4S/cm。该复合结构还包括：在第一侧与第二侧之间包括锂金属和Li3N二者的梯度区域，梯度区域的厚度为至少0.005微米。在另一实施方案中，一种在电化学电池中使用的制品，包括复合结构，该复合结构包括：在复合结构的第一侧处存在的锂金属电活性部分，锂金属电活性部分的厚度为至少10微米。该制品还包括在复合结构的第二侧处存在的氮化锂部分，氮化锂部分的厚度大于1微米，锂离子传导率为至少1×10-4S/cm。该制品具有在第一侧与第二侧之间包括锂金属和Li3N二者的梯度区域，梯度区域的厚度为至少0.005微米。在另一实施方案中，一种在电化学电池中使用的制品，包括：包含锂金属的电活性层；以及包含聚合物凝胶和锂盐的电解质层，其中电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，以及电解质层的屈服强度大于80N/cm2。该制品处于施加的各向异性力下，各向异性力具有垂直于制品的表面的分量，其中该分量限定了至少80N/cm2的压力。在另一组实施方案中，提供了一系列方法。在一种实施方案中，提供了一种形成用于电化学电池的阳极的方法。该方法包括：向锂金属的层施加包含电离的氮的等离子体，其中锂金属的层的厚度在1微米至50微米之间；以及使锂金属与电离的氮反应以形成厚度大于1微米的氮化锂层。在另一实施方案中，提供了一种形成用于电化学电池的锂金属电极的方法。该方法包括：提供包括基底和与基底相邻的锂金属层的制品，其中锂金属层的厚度为至少10微米；以及在压力为至少1Pa，并且温度在-40℃至181℃之间下将锂金属层暴露于氮气。该方法涉及将锂金属层的至少一部分转化为Li3N以形成厚度为至少1微米的Li3N保护层。根据以下详细描述，在结合附图进行考虑时，本专利技术的其他方面、实施方案和特征将变得明显。附图是示意性的并非旨在按比例绘制。为清楚起见，没有将每个附图中的每个组件都进行标记，在没有必要说明以使得本领域的普通技术人员能够理解本专利技术的地方，也没有将本专利技术的每个实施方案示出的每个组件都进行标记。所有专利申请和专利通过引用将其全部内容并入本文。在冲突的情况下，以包括解释的本说明书为准。附图说明参照附图，将通过举例的方式描述本专利技术的非限制性实施方案，这些附图是示意性的并非旨在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同的组件或几乎相同的组件通常用单一附图标记表示。为清楚起见，没有将每个附图中的每个组件都进行标记，在没有必要说明以使得本领域的普通技术人员能够理解本专利技术的地方，也没有将本专利技术的每个实施方案示出的每个组件都进行标记。在附图中：图1示出了根据一组实施方案的在电化学电池的中使用的制品；图2示出了根据一组实施方案的电化学电池；以及图3示出了根据一组实施方案的包括电活性层、保护层和梯度的电极。具体实施方式提供了一种电极结构，更具体为在电化学电池中使用的电极结构。本文中描述的电极结构可以包括一个或更多个保护层。在一组实施方案中，保护层可以通过将锂金属表面暴露于包含气体离子的等离子体以在锂金属的顶部上形成陶瓷层。陶瓷层对于锂离子可以是高传导的，并且可以防止下面的锂金属表面与电解质中的组分反应。在一些情况下，离子可以是氮离子，可以在锂金属表面上形成氮化锂层。在其他实施方案中，该保护层可以通过在高压下将锂转化成氮化锂来形成。例如，可以将基底上包括锂金属层的制品在高压下暴露于氮气，将大量的锂金属转化为氮化锂。该表面的全部或部分可以被转化为氮化锂，可选地将剩余的锂用作电活性部分。可选地，在形成氮化锂层之后，可以在基底与氮化锂层之间的插入锂金属(例如，通过电镀处理)以形成受保护的锂金属电极。还提供了一种与施加的力结合的保护结构。在另一组实施方案中，提供了一种包括具有相对高屈服强度的电解质的电化学电池，该电化学电池与施加到电化学电池的力结合以赋予电极的电活性材料形态的变化。下面更详细地提供了这些实施方案的优点。如本文所述，在一些实施方案中，所提供的制品和方法可以应用于锂电池系统(例如，锂金属电池系统)。锂电池系统通常包括在放电期间经电化学锂化的阴极。在该过程中，锂金属被转化为锂离子，并且穿过电解质传输到电池的阴极，在电池的阴极处锂离子被还原。在锂/硫电池中，例如，锂离子在阴极处形成多种锂硫化合物之一。在充电时，该过程是相反的，在阳极处由电解质中的锂离子电镀锂金属。在每个放电循环中，大量(例如，最高达100％)的可利用的锂可以电化学溶解在电解质中，几乎该量可以在充电时在阳极处被再次电镀。与在每次放电期间移除的量相比，通常在每个充电期间稍微不足量的锂在阳极处被再电镀；在每个充电放电循环期间，通常有小部分的金属Li阳极损失成不溶性的电化学非活性物质。这些过程以多种方式对阳极有应力，其可以导致Li的过早耗尽和电池的循环寿命的降低。在该循环期间，Li阳极表面可以变得粗糙(这可以增加场驱动腐蚀的速率)，Li表面粗糙化可以与电流密度成比例地增加。在循环期间，与阳极的全部Li损失关联的许多非活性反应产物还可以在日益粗糙的Li表面上累积，并且其可以干扰电荷传输到下面的金属Li电活性层。粗糙的Li表面也是不期望的，这是因为其可能增加可用于与电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在电化学电池中使用的制品，包括：包含锂金属的电活性层；与所述电活性层相邻的氮化锂层，其中所述氮化锂层的厚度大于1微米且小于20微米；以及包含聚合物凝胶和锂盐的电解质层，其中所述电解质层与所述氮化锂层相邻，所述电解质层的锂离子传导率为至少1×10‑4S/cm，并且所述电解质层的屈服强度大于50N/cm2。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.13 US 61/546,6851.一种在电化学电池中使用的制品，包括：包含锂金属的电活性层；与所述电活性层相邻的氮化锂层，其中所述氮化锂层的厚度大于1微米且小于20微米；以及包含锂盐的聚合物凝胶电解质层，其中所述聚合物凝胶电解质层与所述氮化锂层相邻，所述电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，并且所述电解质层的屈服强度大于50N/cm2，其中所述制品处于施加的各向异性力下，所述各向异性力具有垂直于所述制品的表面的分量，并且其中所述分量限定了至少80N/cm2的压力。2.一种形成用于电化学电池的阳极的方法，包括：向锂金属的层施加包含经电离的氮的等离子体，其中所述锂金属的层的厚度在1微米至50微米之间；使所述锂金属与所述经电离的氮反应以形成厚度大于1微米的氮化锂层；以及提供包含锂盐的聚合物凝胶电解质层，其中所述聚合物凝胶电解质层与所述氮化锂层相邻，所述电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，并且所述电解质层的屈服强度大于50N/cm2，其中所述阳极处于施加的各向异性力下，所述各向异性力具有垂直于所述阳极的表面的分量，并且其中所述分量限定了至少80N/cm2的压力。3.一种在电化学电池中使用的制品，包括：具有第一侧和相反的第二侧的复合结构，所述复合结构包括：在所述第一侧处的主要为锂金属的电活性部分；在所述第二侧处的主要为氮化锂的部分，其中在从所述第一侧出发朝向所述第二侧的至少10微米的位置处，所述复合结构不含氮化锂或者所述复合结构的Li金属与氮化锂的摩尔比大于5∶1，以及在从所述第二侧出发朝向所述第一侧的至少1微米的位置处，所述复合结构的Li金属与氮化锂的摩尔比小于1∶1000，锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，以及在所述第一侧与所述第二侧之间包括锂金属和氮化锂二者的梯度区域，所述梯度区域的厚度为至少0.005微米，包含锂盐的聚合物凝胶电解质层，其中所述聚合物凝胶电解质层与所述第二侧相邻，所述电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，并且所述电解质层的屈服强度大于50N/cm2，其中所述制品处于施加的各向异性力下，所述各向异性力具有垂直于所述制品的表面的分量，并且其中所述分量限定了至少80N/cm2的压力。4.一种在电化学电池中使用的制品，包括：复合结构，所述复合结构包括：在所述复合结构的第一侧处存在的锂金属电活性部分，所述锂金属电活性部分的厚度为至少10微米；在所述复合结构的第二侧处存在的氮化锂部分，所述氮化锂部分的厚度大于1微米，锂离子传导率为至少1×10-4S/cm；在所述第一侧与所述第二侧之间包括锂金属和氮化锂二者的梯度区域，所述梯度区域的厚度为至少0.005微米，包含锂盐的聚合物凝胶电解质层，其中所述聚合物凝胶电解质层与所述第二侧相邻，所述电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，并且所述电解质层的屈服强度大于50N/cm2，其中所述制品处于施加的各向异性力下，所述各向异性力具有垂直于所述制品的表面的分量，并且其中所述分量限定了至少80N/cm2的压力。5.一种形成用于电化学电池的锂金属电极的方法，包括：提供包括基底和与所述基底相邻的锂金属层的制品，其中所述锂金属层的厚度为至少10微米；将所述锂金属层暴露于压力为至少1Pa并且温度在-40℃至181℃之间下的氮气；以及将所述锂金属层的至少一部分转化为氮化锂以形成厚度为至少1微米的氮化锂保护层；以及提供包含锂盐的聚合物凝胶电解质层，其中所述聚合物凝胶电解质层与所述氮化锂保护层相邻，所述电解质层的锂离子传导率为至少1×10-4S/cm，并且所述电解质层的屈服强度大于50N/cm2，其中所述锂金属电极处于施加的各向异性力下，所述各向异性力具有垂直于所述锂金属电极的表面的分量，并且其中所述分量限定了至少80N/cm2的压力。6.根据权利要求2和5中任一项所述的方法，还包括：施加包含经电离的氮的等离子体同时通过所述等离子体沉积锂。7.根据权利要求2和5中任一项所述的方法，包括：在所述锂金属层的表面上利用所述经电离的氮沉积锂原子。8.根据权利要求5所述的方法，包括在所述基底与所述氮化锂层之间沉积锂金属以形成受保护的锂金属电极。9.根据权利要求7所述的方法，其中沉积步骤为电镀步骤。10.根据权利要求2和5中任一项所述的方法，包括将所述锂金属层暴露于压力为至少0.01MPa下的氮气。11.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·D·阿菲尼托，格雷戈里·K·洛，
申请(专利权)人：赛昂能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US