电极的保护层制造技术

提供了包括用于保护电化学电池中的电极的层的制品和方法。如本文所述的层如电极保护层可包含许多粒子(例如结晶无机粒子、非晶无机粒子)。在一些实施方案中，所述许多粒子(例如无机粒子)的至少一部分互相熔结。例如，在一些实施方案中，该层可通过气溶胶沉积或涉及对粒子施以相对较高的速度以在沉积过程中发生粒子熔结的另一合适的方法形成。在一些实施方案中，该层(例如包含许多粒子的层)是离子导电层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极的保护层领域提供了包括例如用于保护电化学电池中的电极的离子导电层的制品和方法。背景降低锂-(或其它碱金属-或碱土金属-)基电池中的循环寿命的因素之一是由于电极中存在的金属锂与电解质的反应而在电池循环过程中消耗电解质。为了最大限度减少或基本防止这种反应并因此提高电池的循环寿命，理想地是将金属锂与电解质隔离。这通常涉及使用涂布在金属锂表面上的锂离子导电材料层。这种材料允许锂离子向和从金属锂表面扩散，同时防止电解质接触锂表面，因此防止锂和电解质之间的任何副反应。尽管已经制造某些保护结构，但用于锂和其它碱金属电极的保护结构的改进是有益的并可用于涉及使用此类电池和电极的许多不同的领域。概述提供包括用于保护电化学电池中的电极的离子导电层的制品和方法。在某些实施方案中，提供电极结构和/或制造电极结构的方法，其包括包含锂金属或锂金属合金的阳极和包含许多本文所述的粒子(例如熔结无机粒子)的离子导电层。本文中公开的主题在一些情况下涉及相关产品、对特定问题的备选解决方案和/或一种或多种系统和/或制品的许多不同的用途。在一组实施方案中，提供一系列制品。在一个实施方案中，用于电化学电池中的制品包含第一层和布置在第一层上的第二层，其中第二层包含许多粒子，且其中第二层是基本上无孔的。所述许多粒子包含离子导电材料。所述许多粒子的至少一部分至少部分嵌在第一层内。所述许多粒子的至少一部分互相熔结。第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率。第二层具有大约0.5微米至大约50微米的平均厚度。在另一实施方案中，用于电化学电池中的制品包含第一层和布置在第一层上的第二层，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料。至少一部分离子导电材料是结晶的。所述离子导电材料以大于第二层的85重量％的量存在于第二层中。第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率。第二层具有大约0.5微米至大约50微米的平均厚度。在另一组实施方案中，提供电化学电池。在一个实施方案中，电化学电池包含第一层和布置在第一层上的第二层，其中第二层包含许多具有大于0.5微米的粒度的粒子，其中所述许多粒子包含离子导电材料。第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率。第二层具有大约0.5微米至大约50微米的平均厚度。所述电化学电池还包括液体电解质。第二层对所述液体电解质基本不可透。在另一组实施方案中，提供一系列方法。在一个实施方案中，提供一种形成用于电化学电池中的制品的方法。所述方法包括使包含第一材料的第一层暴露于具有至少400m/s的速度的许多粒子，其中所述粒子包含不同于第一材料的第二材料。所述方法还涉及使至少一部分所述粒子嵌在第一层中，和形成包含第二材料的第二层，其中第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率。在另一实施方案中，一种形成用于电化学电池中的制品的方法包括使包含第一材料的第一层暴露于具有足以使至少一些粒子熔结的速度的许多粒子，其中所述粒子包含第二材料。所述方法涉及使至少一部分所述粒子嵌在第一层中，和形成包含第二材料的第二层，其中第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率。在联系附图考虑时，从本专利技术的各种非限制性实施方案的下列详述中可看出本专利技术的其它优点和新颖特征。在本说明书和经此引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为准。如果经此引用并入的两个或更多个文献包括互相冲突和/或不一致的公开内容，以有效日期较晚的文献为准。附图简述参照示意性而无意按比例绘制的附图举例描述本专利技术的非限制性实施方案。在附图中，各相同或近似相同的所示组件通常由同一数字表示。为清楚起见，并非在每个附图中都标出每个组件，在不必图解就能使本领域普通技术人员理解本专利技术的情况下，也没有显示本专利技术的各实施方案的每个组件。在附图中：图1A是根据一组实施方案的沉积在底层上的离子导电层的示意图；图1B是根据一组实施方案的沉积在底层上的离子导电层的另一示意图；图1C是根据一组实施方案的沉积在底层和电解质层上的离子导电层的示意图；图2A-B是根据一组实施方案的制造电极结构的方法的示意图；图3A显示根据一组实施方案的离子导电层的截面SEM图像；图3B显示根据一组实施方案的图3A中的离子导电层的截面SEM图像；图3C-3D显示根据一组实施方案的图3A-3B中的离子导电层的自顶向下SEM视图；图4A-4C显示根据一组实施方案的另一离子导电层的截面SEM图像；图5A-5C显示根据一组实施方案的再一离子导电层的自顶向下SEM视图；图5D显示根据一组实施方案的图5A-5C中的离子导电层的截面SEM图像；且图6A-6B显示根据一组实施方案的离子导电层的自顶向下SEM视图。详述提供包括用于保护电化学电池中的电极的层的制品和方法。如本文所述，层，如电极保护层可包含许多粒子(例如结晶无机粒子、非晶无机粒子)。在一些实施方案中，所述许多粒子的至少一部分(例如无机粒子)互相熔结。例如，在一些实施方案中，该层可通过气溶胶沉积或涉及对粒子施以相对较高的速度以在沉积过程中发生粒子熔结的另一合适的方法形成。在一些实施方案中，该层(例如包含许多粒子的层)是离子导电层。在一些情况下，该层(例如离子导电层)包含相对较低量的聚合物(例如该层的总体积分数的小于或等于大约20体积％聚合物)。所述许多粒子的至少一部分可嵌在另一层(例如基底，如电极)内。在某些实施方案中，所述许多粒子由第一材料(例如无机材料)形成，且该层可包含不同于第一材料的第二材料(例如无机材料、聚合物材料)。当用作保护层时，该保护层可以是对液体电解质基本不可透的。有利地，本文所述的离子导电层可保持用于形成该层的材料的本体性质(例如结晶度、离子电导率)，可表现出提高的挠性和/或可允许引入在传统真空沉积法下通常不可行的材料(例如陶瓷)。所公开的离子导电层可并入电化学电池，如锂基电化学电池(例如锂-硫电化学电池、锂离子电化学电池)中。尽管本文所述的若干实施方案涉及使用这样的层作为电极保护层，但应该认识到，该层可用作电化学电池内的任何其它适当的组件。在电化学电池是锂-硫电化学电池的一些实施方案中，将如本文所述的离子导电层并入电化学电池中可以防止或减少多硫化物(例如存在于包含多硫化物的电解质中)和阳极(例如包含锂，如金属锂的阳极)的电活性材料之间的化学反应的发生。如本文所述的离子导电层的使用可提供优于某些传统保护层的若干优点，包括提高电化学电池内的硫的利用率、降低或消除穿梭效应(shuttleaffect)和/或降低或消除电解质耗竭。如本文中更详细描述的包含许多粒子的离子导电层和/或复合物结构在一些情况下可以选择性传导锂阳离子。在一些实施方案中，包含许多粒子的离子导电层和/或复合物结构不传导某些离子，如多硫化物阴离子，和/或可充当电解质(例如液体电解质)的屏障(例如保护结构)。此外，如本文所述的离子导电层可提供优于某些传统保护层的额外优点，包括提高的挠性、机械稳定性、化学稳定性和/或例如在锂阳极和电解质之间的离子导电性。例如，某些现有保护层(例如包括某些陶瓷基离子导电层)，如均匀薄膜形式的某些保护层可能非常薄、脆、在装卸或使用过程中容易裂化、多孔和/或含有缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学电池中的制品，其包含：第一层；和布置在第一层上的第二层，其中第二层包含许多粒子，且其中第二层是基本上无孔的，其中所述许多粒子包含离子导电材料，其中所述许多粒子的至少一部分至少部分嵌在第一层内，其中所述许多粒子的至少一部分互相熔结，其中第二层具有大约10

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.20 US 62/164,2001.一种用于电化学电池中的制品，其包含：第一层；和布置在第一层上的第二层，其中第二层包含许多粒子，且其中第二层是基本上无孔的，其中所述许多粒子包含离子导电材料，其中所述许多粒子的至少一部分至少部分嵌在第一层内，其中所述许多粒子的至少一部分互相熔结，其中第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率，且其中第二层具有大约0.5微米至大约50微米的平均厚度。2.一种用于电化学电池中的制品，其包含：第一层；和布置在第一层上的第二层，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料，其中至少一部分离子导电材料是结晶的，其中所述离子导电材料以大于第二层的85重量％的量存在于第二层中，其中第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率，且其中第二层具有大约0.5微米至大约50微米的平均厚度。3.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层的至少10体积％包含一个或多个包含离子导电材料的连续路径。4.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层具有大约10-5S/cm至大约10-3S/cm的离子电导率。5.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层具有大约3微米至大约25微米的平均厚度。6.权利要求1的制品，其中所述许多粒子具有大约0.5微米至大约20微米的平均最大横截面尺寸。7.权利要求1的制品，其中所述许多粒子的至少50％互相熔结。8.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层包含离子导电材料。9.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料。10.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料，且其中离子导电材料与非离子导电材料的重量比为至少80:20。11.权利要求1-2任一项的制品，其中所述离子导电材料包含无机材料。12.权利要求1-2任一项的制品，其中所述离子导电材料包含陶瓷；任选地，其中所述陶瓷是石榴石。13.权利要求1-2任一项的制品，其中至少一部分离子导电材料是结晶的。14.权利要求1-2任一项的制品，其中所述离子导电材料为1％至99％结晶。15.权利要求1-2任一项的制品，其中所述离子导电材料具有至少1GPa的杨氏弹性模量。16.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料，且其中所述非离子导电材料的杨氏弹性模量比离子导电材料的所述模量小至少2倍。17.权利要求1-2任一项的制品，其中所述非离子导电材料包含聚合物。18.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料，且其中所述非离子导电材料包含无机材料。19.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层具有1.5至6g/cm3的密度。20.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层具有小于大约5％的孔隙率。21.权利要求1任一项的制品，其中所述许多粒子的至少大约1％至少部分嵌在第一层内。22.权利要求1任一项的制品，其中所述许多粒子以第二层总重量的大约80重量％至大约99.9重量％的量存在于第二层中。23.权利要求1-2任一项的制品，其中第二层吸收小于第二层总重量的大约1重量％的液体电解质。24.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层包含聚合物。25.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层包含聚合物，且其中所述聚合物是聚合物凝胶或在暴露于液体电解质时形成聚合物凝胶。26.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层包含电活性材料。27.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层包含锂金属。28.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层是隔片。29.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层是多孔的。30.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层是无孔的。31.权利要求1-2任一项的制品，其中第一层由可溶解在用于所述电化学电池的电解质中的材料形成。32.权利要求1-2任一项的制品，其包含液体电解质，其中第二层对所述液体电解质不可透。33.一种电化学电池，其包含权利要求1-2任一项的制品，其中所述电化学电池包含液体电解质。34.一种电化学电池，其包含：第一层；布置在第一层上的第二层，其中第二层包含许多具有大于0.5微米的粒度的粒子，其中所述许多粒子包含离子导电材料，其中第二层具有大约10-6S/cm至大约10-2S/cm的离子电导率，且其中第二层具有大约0.5微米至大约50微米的平均厚度；和液体电解质，其中第二层对所述液体电解质基本不可透。35.权利要求34的电化学电池，其中第二层的至少10体积％包含一个或多个包含离子导电材料的连续路径。36.权利要求34的电化学电池，其中第二层具有大约10-5S/cm至大约10-3S/cm的离子电导率。37.权利要求34的电化学电池，其中第二层具有大约3微米至大约25微米的平均厚度。38.权利要求34的电化学电池，其中所述许多粒子具有大约0.5微米至大约20微米的平均最大横截面尺寸。39.权利要求34的电化学电池，其中所述许多粒子的至少一部分互相熔结；任选地，其中所述许多粒子的至少50％互相熔结。40.权利要求34的电化学电池，其中第二层包含离子导电材料。41.权利要求34的电化学电池，其中第二层包含离子导电材料和非离子导电材料。42.权利要求41的电化学电池，其中离子导电材料与非离子导电材料的重量比为至少80:20。43.权利要求34的电化学电池，其中所述离子导电材料包含无机材料。44.权利要求34的电化学电池，其中所述离子导电材料包含陶瓷；任选地，其中所述陶瓷是石榴石。45.权利要求34的电化学电池，其中至少一部分离子导电材料是结晶的。46.权利要求34的电化学电池，其中所述离子导电材料为1％至99％结晶。47.权利要求34的电化学电池，其中所述离子导电材料具有至少1GPa的杨氏弹性模量。48.权利要求41的电化学电池，其中所述非离子导电材料的杨氏弹性模量比离子导电材料的所述模量小至少2倍。49.权利要求34的电化学电池，其中所述非离子导电材料包含聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·G·拉勒米，Y·V·米哈伊利克，杜辉，J·库利施，M·萨方特森佩雷，K·莱特纳，H·施奈德，
申请(专利权)人：锡安能量公司，巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：美国,US