电池分隔件上的锂金属涂层制造技术

锂离子电池可包含正电极、负电极以及涂覆有锂金属薄膜的分隔件，所述锂的厚度小于或等于足以补偿在电池的第一循环期间锂的不可逆损失的厚度。此外，在分隔件上可存在介于分隔件与锂金属薄膜之间的陶瓷层。此外，在陶瓷层与锂金属薄膜之间可存在阻挡层，其中所述阻挡层阻止锂枝状晶体(Lidendrite)的形成。此外，所述分隔件可具有孔隙，这些孔隙可填充有下列物质中的一种或多种：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂以及锂离子传导陶瓷材料。还描述了用于制造此类电池分隔件以及用于制造基于锂金属的电池的部件的方法及设备。

A lithium metal coating on a battery separator

The lithium ion battery may include a positive electrode, a negative electrode, and a separator coated with a lithium metal film, the thickness of which is less than or equal to the thickness sufficient to compensate for irreversible loss of lithium during the first cycle of the battery. In addition, a ceramic layer between the separator and the lithium metal film may be present on the spacer. In addition, a barrier layer may be formed between the ceramic layer and the lithium metal film, wherein the barrier layer blocks the formation of the lithium dendrite crystal (Lidendrite). In addition, the separator can have pores, these pores can be filled with one or more of the following materials: lithium ion conductive polymer, soluble binder in liquid electrolyte and lithium ion conducting ceramic materials. Methods and apparatus for making such battery separators and for manufacturing components based on lithium metal batteries are also described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电池分隔件上的锂金属涂层相关申请案的交互参考本申请案主张在2015年1月9日提出申请的美国临时申请案第62/101,794号的权益。
本公开内容的实施方式大体涉及锂电池，制造锂电池的方法，以及用于制造锂电池的设备。
技术介绍
锂电池通常在第一操作循环期间遭受不可逆的锂损失。存在对可容易地适应这种锂损失的改良的锂电池设计、制造这些改良电池的方法，以及用于制造这些改良电池的设备的需要。
技术实现思路
本公开内容描述了用于锂电池的锂金属涂覆分隔件，用于制造所述锂金属涂覆分隔件的方法，以及用于制造所述锂金属涂覆分隔件的设备。根据一些实施方式，锂离子电池可包含：正电极；负电极；以及位于正电极与负电极之间的分隔件，所述分隔件涂覆有锂金属薄膜，所述锂金属薄膜具有小于或等于足以补偿在锂离子电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失的厚度。根据一些实施方式，制造电池分隔件的方法可包含：在分隔件膜上沉积锂金属薄膜，其中锂金属薄膜厚度为至少1微米，并且其中所述沉积不填充分隔件膜的孔隙。根据一些实施方式，制造锂金属涂覆电池分隔件的装置可包含：卷轴至卷轴系统，用于传送连续的分隔件膜通过一个或多个模块；以及第一模块，用于在分隔件膜上沉积锂金属薄膜，第一模块经配置用于通过从以下工艺组成的群组中选择的工艺来沉积锂金属薄膜：物理气相沉积、电子束蒸发、薄膜转移以及狭缝式挤压沉积(slotdiedeposition)，并且其中第一模块进一步经配置用于在不填充分隔件膜的孔隙的情况下沉积锂金属薄膜。附图说明在结合附图阅读本专利技术的特定实施方式的以下描述之后，本公开内容的这些及其他构思和特征对熟悉本领域的一般技术人员而言将变得显而易见，在这些附图中：图1是根据一些实施方式的锂离子电池的第一实例的横截面表示；图2是根据一些实施方式的用于锂离子电池的经涂覆的分隔件的横截面表示；图3是根据一些实施方式的用于形成涂覆有锂金属的分隔件的第一卷筒工具(webtool)；图4是根据一些实施方式的用于形成涂覆有锂金属的分隔件的第二卷筒工具；以及图5是根据一些实施方式的用于形成涂覆有锂金属的分隔件的第三卷筒工具。具体实施方式现将参照附图详细描述本公开内容的实施方式，这些实施方式提供作为本公开内容的说明性实例，以便熟悉本领域的一般技术人员能够实践本公开内容。应注意，以下附图和实例并不意欲将本公开内容的范围限制为单一实施方式，而是经由互换所描述或图示的元素中的一些或所有，其他实施方式也是可能的。此外，其中本公开内容的某些元素可以使用已知元件部分或完全地实施，将仅描述此类已知元件中用于理解本公开内容所必需的部分，并且将省去对此类已知元件的其他部分的详细描述，以免模糊本公开内容。在本公开内容中，图示为单一元件的实施方式不应被视为限制，相反地，本公开内容意图包括包含多个相同元件的其他实施方式，并且反之亦然，除非本文以其他方式明确说明。此外，并不意欲将本公开内容中的任何术语归于罕见的或特定的含义，除非文中明确地阐述为罕见的或特定的含义。此外，本公开内容涵盖在本文以举例方式提到的所述已知元件的现在和将来的已知的等效物。根据一些实施方式，锂电池可包含正电极、负电极，以及涂覆有锂金属薄膜的分隔件。此外，所述锂金属薄膜可恰好足以补偿在电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失，所述锂金属薄膜在一些实施方式中可为厚度为1至5微米的锂金属薄膜。在一些实施方式中，为了降低电池短路的可能性，锂金属薄膜应当小于或等于补偿不可逆损失所需的锂量，以使得在锂电池的形成循环期间所有的锂金属薄膜将从分隔件移除到负电极。此外，在分隔件上介于分隔件与锂金属薄膜之间可存在陶瓷层。此外，在陶瓷层与锂金属薄膜之间可存在阻挡层，其中所述阻挡层是由诸如以下的材料形成的：铝及锆的氧化物以及氮氧化物，铝/硅的氮化物、铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂、锆酸镧锂等。所述阻挡层可起到阻止锂金属枝状晶体(lithiummetaldendrite)的形成,和/或帮助增大分隔件的离子电导率的作用。此外，所述分隔件可具有孔隙并且分隔件中的这些孔隙可用锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂，或者锂离子传导陶瓷材料(其中陶瓷材料在与锂金属薄膜界面处为连续的)填充。图1图示根据一些实施方式，具有经涂覆的分隔件的示例性锂离子电池结构。电池单元100具有正集电器110、正电极120、经涂覆的分隔件130、负电极140，以及负集电器150。应注意的是，在图1中，集电器表示为延伸超出堆叠，但是集电器并非必须延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作接头(tab)。分别在正电极和负电极上的集电器110、150可为相同或不同的电子导体。用于集电器的示例性材料为铜、铝、碳、镍、金属合金等。此外，集电器可为任何形状因数(formfactor)、形状以及微观/宏观结构。通常，在方形电池单元中，接头是用与集电器相同的材料形成的，并且可在堆叠制造期间形成或者在之后添加。除集电器110与150之外的所有元件含有锂离子电解质。举例来说，在本公开内容的锂离子电池单元的一些实施方式中，锂在负电极处包含在碳石墨的晶体结构的原子层(LiC6)中，并且在正电极处包含在锂锰氧化物(LiMnO4)或者锂钴氧化物(LiCoO2)中，但是在一些实施方式中，负电极也可包括锂吸收材料(诸如硅、锡等)。所述电池单元尽管在图中表示为平面结构，但是也可通过将层的堆叠卷起而形成为圆柱体；此外，可形成其他电池单元构造。灌注在电池单元元件120、130以及140中的电解质可由液体/凝胶或者固体聚合物组成并且可各自不同。图2更详细地图示经涂覆的分隔件130的实施方式。经涂覆的分隔件130包含：具有孔隙132的分隔件膜131；分隔件膜上的陶瓷涂层133；在陶瓷涂层与锂金属薄膜135之间的阻挡层134；以及防护涂层136。在各实施方式中，分隔件通常为由聚烯烃制成的厚度大约为25微米的多孔结构。适用于本公开内容的一些实施方式的可商购的分隔件包括例如：由Polypore公司(Celgard)、东燃化学公司(TorayTonen)(电池分隔件膜(Batteryseparatorfilm；BSF))、鲜京能源公司(SKEnergy)(锂离子电池分隔件(lithiumionbatteryseparator；LiBS))、赢创工业股份有限公司(Evonikindustries)(SEPARION)、旭化成株式会社(AsahiKasei)(Hipore)、杜邦公司(DuPont)(Energain)等生产的多孔聚合分隔件。阻挡层可由诸如铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂等的材料形成。此外，在一些实施方式中，分隔件中的孔隙可用可溶于液体电解质中的粘合剂(诸如，混合的碳酸盐电解质等)或者锂离子传导聚合物(诸如PEO(聚环氧乙烷)、嵌段共聚物)等填充；孔隙的这种填充可有助于避免在某些锂金属沉积方法期间将锂金属沉积到孔隙中。在一些实施方式中，锂沉积在分隔件的面向负(锂)电极的一侧上。在一些实施方式中，经涂覆的分隔件可包含锂金属薄膜和以下内容中的一种或多种：陶瓷涂层、阻挡层、防护涂层以及分隔件的孔隙，所述分隔件的孔隙填充有从以下材料组成的群组中选择的一种或多种材料：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂，以及锂离子传导陶瓷材料。根据一些实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池，包含：正电极；负电极；以及分隔件，所述分隔件位于所述正电极与所述负电极之间，所述分隔件涂覆有锂金属薄膜，所述锂金属薄膜具有厚度，所述厚度小于或等于足以补偿在所述锂离子电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.09 US 62/101,7941.一种锂离子电池，包含：正电极；负电极；以及分隔件，所述分隔件位于所述正电极与所述负电极之间，所述分隔件涂覆有锂金属薄膜，所述锂金属薄膜具有厚度，所述厚度小于或等于足以补偿在所述锂离子电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失的厚度。2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中所述锂金属薄膜的厚度在1微米与5微米之间，包括端值。3.根据权利要求1所述的锂离子电池，进一步包含陶瓷层，所述陶瓷层在所述分隔件上并介于所述分隔件与所述锂金属薄膜之间。4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其进一步包含阻挡层，所述阻挡层在所述陶瓷层与所述锂金属薄膜之间，其中所述阻挡层由从以下材料组成的群组中选择的材料形成：氧化铝、铝氮氧化物、氧化锆、锆氮氧化物、氮化铝、氮化硅、铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂、锂离子传导硫化物，以及锆酸锂镧。5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中所述分隔件包含孔隙，并且这些孔隙使用从由以下材料组成的群组中选择的一种或多种材料填充：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂，以及锂离子传导陶瓷材料。6.一种制造电池分隔件的方法，包含：在分隔件膜上沉积锂金属薄膜，其中所述锂金属薄膜的厚度为至少1微米，并且其中所述沉积不填充所述分隔件膜的孔隙。7.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：在所述沉积所述锂金属薄膜的步骤之前，在所述分隔件膜的孔隙中沉积锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂、以及锂离子传导陶瓷材料中的一种或多种。8.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：在所述沉积所述锂金属薄膜的步骤之前，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏布拉曼亚·P·赫尔勒，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国,US