具有保护层工具的整合的锂沉积制造技术

在一实施方式中，公开了一种用于在能量储存装置中的锂金属的沉积和处理的整合处理工具。整合的处理工具可为卷材工具(web tool)。整合的处理工具可包括：卷对卷系统(reel‑to‑reel system)，该卷对卷系统用于经由下列的腔室来传送连续的材料片：用于将锂金属的薄膜沉积在连续的材料片上的腔室和用于将保护膜沉积在锂金属的薄膜的表面上的腔室。用于沉积锂金属的薄膜的腔室可包括：诸如电子束蒸发器的PVD系统、薄膜传送系统，或狭缝式沉积系统(slot‑die deposition system)。用于将保护膜沉积在锂金属膜上的腔室可包括：沉积夹层膜的腔室或用于将锂离子传导性聚合物沉积在锂金属膜上的腔室。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有保护层工具的整合的锂沉积
本文描述的实施方式一般地涉及锂金属沉积和处理。尤其是，本文描述的实施方式涉及用于在能量储存装置中的锂金属的沉积和处理的方法和系统。
技术介绍
对于日常生活的许多领域而言，可充电的电化学储存系统目前变得越来越重要。诸如锂离子(Li-ion)电池之类的大容量的电化学能量储存装置被使用在越来越多的应用(其中包括可携式电子产品、医疗、运输、并网大型能量储存、可再生能源储存，及不间断功率源(uninterruptiblepowersupply,UPS))中。传统的铅酸/硫酸电池经常容量不足且经常不具有足够的循环以供这些不断增长的应用。然而，锂离子电池被认为具有最好的机会。通常，锂电池由于安全性的理由并不包含任何的金属锂，反而使用石墨材料作为阳极。然而，相较于使用金属锂，在处于充电状态时使用石墨能充电至限制的组成物LiC6，而石墨的使用会导致小得多的容量。目前，工业正从基于石墨的阳极发展至混合硅的(silicon-blended)石墨以增加能量单元密度(energycelldensity)。然而，混合硅的石墨阳极有第一次充放电的容量损失的缺点。因此，需要用以补充混合硅的石墨阳极的第一次充放电的容量损失的锂金属沉积。然而，锂金属面临到若干装置整合的挑战。锂是一种碱金属。与第一主族的重元素同族物相类似，锂的特征在于与各种不同的物质的强烈反应性。锂剧烈地与水、乙醇，及含质子氢的其他的物质发生反应，而经常导致燃烧。锂在空气中是不稳定的且会与氧气、氮气，及二氧化碳发生反应。锂一般在惰性气体环境(惰性气体，诸如氩气)下运输并且锂的强烈反应性要求其他的处理操作亦在惰性气体环境中执行。因此，当谈论到处理、储存，及传送时，锂具有若干挑战。已经针对于锂金属开发保护表面处理。一种锂金属的保护表面处理的方法包含：将锂金属涂覆上蜡层，例如：聚乙烯蜡(polyethylenewax)。然而，必须施用大量的涂布剂，该涂布剂会影响锂金属层的后续的处理。保护表面处理的另一方法提出了利用连续的碳酸盐涂层、聚合物涂层(例如：聚氨基甲酸酯(polyurethanes)、PTFE、PVC、聚苯乙烯(polystyrene)和其他者)来产生稳定化的锂金属粉末(stabilizedlithiummetalpowder,“SLMP”)。然而，当预锂化(prelithiating)电极材料时这些聚合物涂层可能造成问题。因而，需要用于在能量储存系统中的锂金属的沉积和处理的方法和系统。
技术实现思路
本文描述的实施方式一般地涉及锂金属沉积和处理。尤其是，本文描述的实施方式涉及用于在能量储存装置中的锂金属的沉积和处理的方法和系统。在一实施方式中，提供负极。负极被涂覆有锂金属的薄膜。锂金属的薄膜可具有足够的厚度以补偿在电池的第一次充放电期间的锂金属的不可逆转的损失，该锂金属的薄膜在一些实施方式中可为具有从大约1微米至大约20微米的厚度的锂金属膜。锂金属膜可被用作为锂金属阳极。再者，锂金属膜可被涂覆有用于保护锂金属膜而不受周围氧化剂的影响的保护膜。在一实施方式中，保护膜包含离子传导性聚合物材料，该离子传导性聚合物材料被并入最终的电池单元。在另一实施方式中，保护膜包含夹层膜，该夹层膜保护锂金属膜而不受周围氧化剂的影响。通常在进行额外的处理之前将夹层膜移除。在一些实施方式中，夹层膜可充当隔板。在另一实施方式中，提供锂电池。锂电池包括：正极、涂覆有锂金属的薄膜的负极。锂金属的薄膜可具有足够的厚度以补偿在电池的第一次充放电期间的锂金属的不可逆转的损失，该锂金属的薄膜在一些实施方式中可为具有从大约1微米至大约20微米的厚度的锂金属膜。再者，锂金属膜可被涂覆有用于保护锂金属膜而不受周围氧化剂的影响的离子传导性聚合物。在又一实施方式中，提供用于形成涂覆有锂的负极的整合的处理工具。整合的处理工具可为卷材工具，涵盖真空和非真空沉积技术(例如：PVD、狭缝式技术(Slot-Die)、凹版印刷(Gravure)、热喷涂(thermalspraying)、层压，及丝网印刷(screen-printing))的卷对卷。整合的处理工具可包括：用于经由下列的腔室来传送连续的材料片的卷对卷系统：用于将锂金属的薄膜沉积在连续的材料片上的腔室和用于将保护膜沉积在锂金属的薄膜的表面上的腔室。在一些实施方式中，用于沉积锂金属的薄膜的腔室可包括：诸如电子束蒸发器的PVD系统、薄膜传送系统(其中包括诸如凹版印刷系统之类的大面积图案印刷系统)、锂膜传送系统(例如：利用在锂与负极之间的任选的释放层将锂层压至负极)，或狭缝式沉积系统。在一些实施方式中，用于将保护膜沉积在锂金属膜上的腔室可包括：用于沉积夹层膜的腔室或用于将锂离子传导性聚合物沉积在锂金属膜上的腔室。整合的处理工具可进一步包括：用于在进行额外的处理之前移除夹层膜的腔室。在一些实施方式中，整合的处理工具进一步包括：用于将负极材料形成在连续的材料片上的腔室。在一些实施方式中，连续的材料片是弹性的传导基板。在又一实施方式中，提供一种形成负极的方法。该方法包含以下步骤：在负极上形成锂金属膜、在该锂金属膜上形成界面膜，及在该界面膜上形成保护膜，其中该界面膜为离型膜、金属氟化物膜，或金属氧化物膜。附图说明以上简要概述的本公开内容的上述详述特征能够被具体理解的方式、以及实施方式的更特定描述，可以通过参照实施方式获得，其中实施方式中的一些绘示在附图中。然而，应注意到：附图仅图示此公开内容的典型的实施方式，因而并不应视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其他的等同有效的实施方式。图1A图示根据本文描述的实施方式形成的电极结构的一实施方式的截面图。图1B图示根据本文描述的实施方式形成的双面的负极结构的截面图。图2根据本文描述的实施方式图示整合的处理工具的示意图。图3图解根据本文描述的实施方式概述了用于形成电极结构的方法的一实施方式的流程图。图4A根据本文描述的实施方式图示另一整合的处理工具的示意图。图4B根据本文描述的实施方式图示另一整合的处理工具的示意图。图5图解根据本文描述的实施方式概述了用于形成电极结构的方法的一实施方式的流程图。图6根据本文描述的实施方式图示另一整合的处理工具的示意图；及图7根据本文描述的实施方式图示又一整合的处理工具的示意图。为了促进理解，尽可能地使用了相同的附图标号标示图式中共通的相同的元件。考虑到，在没有进一步地描述下可将一实施方式的元件和特征有益地并入在其他的实施方式中。具体实施方式后续的公开内容描述负极、包括前述的负极的高性能电化学单元和电池，及用于制造前述的负极和包括前述的负极的高效能电化学单元和电池的方法。将在随后的描述和图1至图7中阐明某些细节以提供本公开内容的各种实施方式的全面的理解。对描述经常与电化学单元和电池相关联的公知的结构和系统的其他的细节未在后续的公开内容中阐明以避免不必要地模糊各种实施方式的描述。示出在图式中的细节、尺寸、角度及其他的特征中的多者仅为特定的实施方式的示例。因此，其他的实施方式可具有其他的细节、部件、尺寸、角度和特征，而不偏离本公开内容的精神或范围。此外，在没有以下所描述的某些细节的情况下可实施方式本公开内容的进一步的实施方式。本文描述的实施方式将于后文中参照卷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极，包括：硅石墨阳极；锂金属膜，所述锂金属膜形成于所述硅石墨阳极上；及保护膜，所述保护膜形成于所述锂金属薄膜上，其中所述保护膜是锂离子传导性材料或夹层膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.28 US 62/288,2171.一种负极，包括：硅石墨阳极；锂金属膜，所述锂金属膜形成于所述硅石墨阳极上；及保护膜，所述保护膜形成于所述锂金属薄膜上，其中所述保护膜是锂离子传导性材料或夹层膜。2.如权利要求1所述的负极，进一步包括：界面膜，所述界面膜形成在所述锂金属膜与所述保护膜之间，其中所述界面膜具有从大约0.1微米至大约5微米的厚度。3.如权利要求2所述的负极，其中所述界面膜选自由以下项所构成的群组：LiF、Al2O3、LiAlO2、LiAl5O8、ZrO2、Li2ZrO3、Li2O、Li2S，及上述的混合物。4.如权利要求2所述的负极，其中所述界面膜选自由以下项所构成的群组：聚烯烃(polyolefin)、多氟烃(polyfluorocarbon)、聚酰胺(polyamide)、聚酯纤维(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚己内酯(polycaprolactone)，及上述的混合物和共聚合物。5.如权利要求1所述的负极，其中所述锂金属膜具有从大约1微米至大约20微米厚的厚度。6.如权利要求1所述的负极，所述保护膜是所述锂离子传导材料且所述锂离子传导材料选自由以下项所构成的群组：LiPON；晶相的或非晶相的石榴石型的Li7La3Zr2O12；Li2+2xZn1-xGeO4，其中0<x<1；Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0<x<3；氢硼化锂(lithiumborohydride,LiBH4)；掺杂的反钙钛矿组合物(dopedanti-perovskitecompositions)；及LiPS5X，其中x是Cl、Br，或I。7.如权利要求1所述的负极，其中所述夹层膜选自由以下项所构成的群组：聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚对苯二甲酸乙二酯(poly(ethyleneterephthalate))、聚对苯二甲酸丁二酯(poly(butyleneterephthalate))、聚酯纤维(polyester)、聚酰胺(p...

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