锂金属电极及其电池制造技术

本公开总体上涉及用于锂金属电池中的隔膜，以及相关联的系统和产品。某些实施例涉及当电极保持在电压下时形成或修复的隔膜。在一些实施例中，电化学电池可以包括电解质，电解质包括用于隔膜的前体。

Lithium Metal Electrodes and Batteries

The present disclosure generally relates to diaphragms used in lithium metal batteries, as well as related systems and products. Some embodiments relate to diaphragms formed or repaired when electrodes remain at voltage. In some embodiments, electrochemical batteries may include electrolytes, including precursors for diaphragms.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂金属电极及其电池相关申请本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2016年4月5日提交的、名称为“锂金属电极及其电池”的美国临时专利申请第62/318,470号的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
本专利技术总体上涉及用于在电化学电池中形成隔膜并且修复电化学电池中的隔膜中的缺陷的系统和方法。
技术介绍
由于锂的高比能，锂金属电池是一种很有前途的技术。然而，由于从阳极到阴极的枝晶生长，许多锂金属电池经历过早的失效。已经将隔膜添加到锂金属电池以阻止枝晶生长，但是一旦由于枝晶生长而被损坏，隔膜通常就会使用枝晶的效用。因此，期望改进的组成和方法。
技术实现思路
总体上提供用于在电化学电池中形成和修复隔膜的方法和物品。在一些情况下，本专利技术的主题涉及相关的产品、特定问题的替代解决方案，和/或一个或更多个系统和/或物品的多个不同用途。一方面，总体上提供在可充电电化学电池中形成隔膜的方法。方法可以包括，将可充电电化学电池中的第一电极保持在第一电压。电化学电池可以包括电解质，该电解质包括小于或等于1mM且大于或等于1nM的量的用于隔膜的前体。在一些实施例中，第一电压使用于隔膜的前体反应以形成位于第一电极和第二电极之间的隔膜。另一方面，提供了修复可充电电化学电池中的隔膜中的缺陷的方法。方法可以包括将可充电电化学电池中的第一电极保持在第一电压。可充电电化学电池可以包括隔膜和电解质，该电解质包括小于或等于1mM且大于或等于1nM的量的用于隔膜的前体。在一些实施例中，第一电压可以使用于隔膜的前体反应以修复隔膜中的缺陷。一些实施例与可充电电化学电池相关。在一个实施例中，可充电电化学电池包括第一电极、第二电极和电解质。电解质可包括用于隔膜的前体，用于隔膜的前体在电解质中的溶解度小于或等于1mM且大于或等于1nM。在一些实施例中，可充电电化学电池包括第一电极、第二电极和电解质。电解质可以包含第一卤素阴离子和能够反应以形成第一卤素阴离子的物质中的至少一种，并且包含第二卤素阴离子和能够以反应以形成第二卤素阴离子的物质中的至少一种。在一些实施例中，可充电电化学电池包括第一电极、第二电极和隔膜。隔膜可以至少包括第一层和第二层，并且第二层可以在比第一层更高的电压下发生氧化。当结合附图考虑时，根据本专利技术的各种非限制性实施例的以下详细描述，本专利技术的其他优点和新颖特征将变得显而易见。在本说明书和通过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，本说明书应该优先。如果通过引用并入的两个或更多个文献包括彼此冲突和/或不一致的公开内容，则具有较晚生效日期的文献应该优先。附图说明将参考附图通过示例来描述本专利技术的非限制性实施例，附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在图中，图示的每个相同或几乎相同的部件通常由一个数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都标记在每个图中，也没有示出本专利技术的每个实施例的每个部件，没有示出的部件不必被示出，以允许本领域普通技术人员理解本专利技术。在图中：图1示出了根据一些实施例的可充电电化学电池，其包括第一电极、第二电极和包括用于隔膜的前体的电解质；图2示出了根据一些实施例的可充电电化学电池，其包括第一电极、第二电极、包括用于隔膜的前体的电解质和隔膜；图3示出了根据一些实施例的可充电电化学电池，其包括第一电极、第二电极、电解质和隔膜；图4示出了根据一些实施例的可充电电化学电池，其包括第一电极、第二电极、电解质和包括第一层和第二层的隔膜；图5A示出了根据一些实施例的可充电电化学电池，其包括第一电极、第二电极、包含用于隔膜的前体的电解质和以及包括缺陷的隔膜；图5B示出了根据一些实施例的用于修复可充电电化学电池中的缺陷的方法；图6示出了根据一些实施例的用于形成卤化锂层的方法；图7是根据一些实施例的示出各种卤化锂盐的各种性能的图。图8示出了根据一些实施例的隔膜中的自修复；图9示出了根据一些实施例的用于在电极上形成钝化层的方法；图10示出了根据一些实施例的用于形成隔膜的方法；图11示出了根据一些实施例的用于卤化锂盐的吸附能和形成能的计算值。图12示出了根据一些实施例的用于I-/I2/I3-的溶液相图；图13A-C示出了根据一些实施例的用于各种电化学电池的测量阻抗；和图14A-D示出了根据一些实施例的对各种电化学电池进行的循环伏安法测量。具体实施方式总体上提供了涉及可充电电化学电池中的隔膜的形成和/或修复的系统和方法。某些制品和方法涉及在原位形成和/或修复可充电电化学电池中的隔膜。在一些实施例中，可充电电化学电池在组装后可能没有隔膜，但是可以在电化学电池充电和/或放电期间形成隔膜。在一些实施例中，可充电电化学电池在组装时可以包括非原位隔膜，并且可以在电化学电池充电和/或放电期间形成原位隔膜。隔膜，例如在电化学电池充电和/或放电期间形成的那些隔膜，可能包括一种或更多种缺陷，其可以由电化学电池中存在的一种或更多种物质修复。某些实施例涉及可充电电化学电池，其包括用于隔膜的一种或更多种前体。用于隔膜的前体可以是能够反应以在电化学电池中形成隔膜和/或修复电化学电池中的隔膜中的缺陷的物质。在一些实施例中，当一个或更多个电极保持在电化学电池中的电压时，用于隔膜的前体可以反应以形成隔膜和/或修复隔膜中的缺陷。在一些实施例中，用于电化学电池的前体可以包含卤化物或包含卤化物的物质。在一些实施例中，用于隔膜的前体在可充电电化学电池中存在的电解质中可以具有较低的溶解度，和/或，可以在可充电电化学电池中存在的电解质中以较低的浓度存在。如本文所使用的，“隔膜”被给予其在领域中的普通含义。在一组实施例中，它是固体或胶体材料，其将阳极与阴极物理分离并防止短路。隔膜的前体是这样的物质，其本身不如隔膜有效，但是在将电极之一保持在设定电压下，或使电极循环，或发生如本文所描述的其他实施事件时，形成隔膜。如上所述，某些实施例涉及可充电电化学电池。图1示出了可充电电化学电池100的一个非限制性实施例，其包括第一电极110、第二电极120和包括用于隔膜的前体140的电解质130。尽管图1示出了一种用于隔膜的前体，但应该理解，在一些实施例中，电解质中也可以存在两种、三种、四种或更多种用于隔膜的前体。在一些实施例中，可充电电化学电池可以包括用于隔膜的前体，该前体可以发生反应以形成隔膜。例如，将第一电极保持在可充电电化学电池中的第一电压可导致隔膜的形成。反应可以是任何合适的反应，例如氧化还原反应、聚合反应和/或结晶反应。在一些实施例中，反应可包括在溶解在电解质中的溶质的电化学电池部件上(例如，在第一电极上)的结晶。可以通过任何合适的手段将第一电极保持在第一电压下。在一些实施例中，可以将电压施加到第一电极，例如，通过外部电压源。在一些实施例中，第一电压可以是第一电极在其位于可充电电化学电池中时固有的电压。在一些实施例中，第一电压大于或等于0V、大于或等于1.5V、大于或等于2V、大于或等于2.5V、大于或等于3V、大于或等于3.5V、大于或等于4V、大于或等于4.5V、大于或等于5V、或大于或等于5.5V。在一些实施例中，第一电压小于或等于6V、小于或等于5.5V、小于或等于5V、小于或等于4.5V、小于或等于4V、小于或等于3.5V、小于或等于3V、小于或等于2.5V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在可充电电化学电池中形成隔膜的方法，包括：将可充电电化学电池中的第一电极保持在第一电压，其中，可充电电化学电池包括电解质，所述电解质包括小于或等于1mM且大于或等于1nM的量的用于隔膜的前体，和其中，第一电压使用于隔膜的前体反应以形成位于第一电极和第二电极之间的隔膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.05 US 62/318,4701.一种在可充电电化学电池中形成隔膜的方法，包括：将可充电电化学电池中的第一电极保持在第一电压，其中，可充电电化学电池包括电解质，所述电解质包括小于或等于1mM且大于或等于1nM的量的用于隔膜的前体，和其中，第一电压使用于隔膜的前体反应以形成位于第一电极和第二电极之间的隔膜。2.一种修复可充电电化学电池中的隔膜中的缺陷的方法，包括：将可充电电化学电池中的第一电极保持在第一电压，其中，可充电电化学电池包括隔膜，其中，可充电电化学电池包括电解质，所述电解质包括小于或等于1mM且大于或等于1nM的量的用于隔膜的前体，和其中，第一电压使用于隔膜的前体反应以修复隔膜中的缺陷。3.一种可充电电化学电池，包括：第一电极；第二电极；和电解质，其中，所述电解质包括用于隔膜的前体，并且其中，用于隔膜的前体在电解质中的溶解度小于或等于1mM且大于或等于1nM。4.一种可充电电化学电池，包括：第一电极；第二电极；和电解质，其中，所述电解质包含第一卤素阴离子和能够反应以形成第一卤素阴离子的物质中的至少一种，并且其中，所述电解质包含第二卤素阴离子和能够反应以形成第二卤素阴离子的物质中的至少一种。5.一种可充电电化学电池，包括：第一电极；第二电极；和隔膜，其中，所述隔膜至少包括第一层和第二层，并且其中，第二层在比第一层更高的电压下发生氧化。6.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体能够修复隔膜中的缺陷。7.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含卤素阴离子。8.根据权利要求7所述的方法或可充电电化学电池，其中，卤素阴离子是以下之一：氟阴离子、氯阴离子、溴阴离子和碘阴离子。9.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含能够反应以形成卤素阴离子的物质。10.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含多卤素阴离子。11.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，多卤素阴离子包括至少两个卤素物质。12.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包括氧化态为0的卤素。13.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含以下中的至少一种：氯酸根阴离子、高氯酸根阴离子、硝酸根阴离子、磷酸根阴离子、PF6-阴离子、BF4-阴离子、双(氟磺酰基)亚胺阴离子和双(三氟甲烷)磺酰亚胺阴离子。14.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含锂阳离子。15.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含碱土金属阳离子。16.根据权利要求15所述的方法或可充电电化学电池，其中，所述碱土金属阳离子是Mg2+。17.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体包含至少两种卤素阴离子。18.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，当可充电电化学电池在大于或等于4V的电压下工作时，用于隔膜的前体不参与氧化还原穿梭。19.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体具有岩盐晶体结构。20.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体具有萤石晶体结构。21.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体以晶体结构结晶。22.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，电解质包括溶剂，该溶剂具有以下基团中的一种或更多种：醚基、腈基、氰酯基、氟酯基、四唑基、氟磺酰基、氯磺酰基、硝基、碳酸酯基、二碳酸酯基、硝酸酯基、氟酰胺基、二酮基、唑基和三嗪基。23.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，电解质包括碳酸烷基酯溶剂。24.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，电解质包括添加剂，所述添加剂增加用于隔膜的前体在电解质中的溶解度。25.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体在电解质中的溶解度大于或等于1nM且小于或等于1mM。26.根据任一前述权利要求所述的方法或可充电电化学电池，其中，用于隔膜的前体以大于或等于1nM且小于或等于1mM的浓度存在于电解质中。27.根据任一前述权利要求所述的方法或...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜一民，文卡塔苏布拉马尼安·维斯瓦纳坦，李林森，维克拉姆·潘德，迪利普·克里希纳穆尔蒂，齐尚·阿哈默德，威廉·亨利·伍德福德，
申请(专利权)人：麻省理工学院，卡耐基梅隆大学，二四M技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US