锂金属与固体电解质之间的界面制造技术

本发明专利技术涉及一种锂金属与固体电解质之间的界面。具体提供一种具有人造界面层的锂金属电极。人造界面层传导锂离子但不传导电子。还提供了制备锂金属电极的方法。提供含有锂金属电极的固态电化学电池。提供一种固态锂‑硫电化学电池，其具有约3mAh/cm

Interface between Lithium Metal and Solid Electrolyte

【技术实现步骤摘要】
锂金属与固体电解质之间的界面
本公开涉及锂金属固态蓄电池，其具有在阳极的锂金属表面和固态电解质的相邻表面之间的界面。界面的目的是抑制固体电解质因高还原性锂金属的还原分解。这种稳定的锂金属电极可以是全固态蓄电池的基础。
技术介绍
使用锂金属负极的蓄电池是许多组织中蓄电池研究的主题，因为其具有极高的比容量3,860mAh/g和相对于锂金属的标准氢电极-3.04V的低还原电势。由于这种低还原电势，常规固态电解质例如硫代磷酸锂在暴露于锂金属和与锂金属接触时分解。另外，由于锂金属与气体诸如CO2，N2和O2的反应性，因在金属表面上形成锂盐层容易损害锂金属。这些盐的实例包括Li2CO3、Li3N和LiOH(Li2O形式)。由于在锂电极表面上存在这样的盐，所以获得了跨越锂电极表面的不均匀的电流分布，结果，锂在充电过程中不均匀地镀覆并且发生枝晶形成。硫作为正极材料非常有吸引力，因为它非常便宜并且具有1,672mAh/g的高比容量。然而，迄今为止，商业上可行的锂硫蓄电池的开发受到几个主要挑战的抑制，最显著的是在硫的还原过程中锂的多硫化物溶解到液体电解质中以及在充电过程中锂的枝状生长。这些挑战在例如P.Bonnick，E.Nagai和J.Muldoon，J.Electrochem的文章中(Soc.，vol165，issue1，A6005-A6007(2018))有所描述。已经研究过锂-硫全固态电池的大多数研究人员使用了具有足够高的还原电势的锂合金负极，以避免固体电解质的分解。锂合金的一个例子是如T.Hakari，A.Hayni，M.Tasumisago，Adv.SustainableSyst.，1700017(2017)所描述的锂-铟。不幸的是，使用更高还原电势的负电极会降低蓄电池的电压和能量输出能力。有关固体电解质的综述由A.Manthiram，X.Yu和S.Wang，NatureReviews|Materials，vol2,16103(2017)提供。从第7页开始，本综述讨论了第7页的锂硫及其中的参考文献。克服上述锂的多硫化物溶解挑战的一种方法是使用固体电解质代替液体电解质。一种重要的固体电解质基于硫代磷酸锂复合物，如RGarcia-Mendez，FMizuno，RZhang，TSArthur，JSakamoto，ElectrochimicaActa，vol237，pg.144-151(2017)所述。该文记载，防止锂金属表面上的硫代磷酸锂分解以防止在锂金属和固体电解质之间形成高电阻是至关重要的。因此，需要一种结构或系统来防止金属电极还原性分解电解质，特别是固体电解质。更具体地，需要一种结构或系统来防止锂金属电极分解硫代磷酸锂固体电解质。此外，需要高容量锂电化学电池，尤其是含有单质硫作为阴极活性材料的电化学电池。
技术实现思路
本公开解决了这些和其他目的，本公开的第一实施方案提供锂金属的锂电极，其具有的表面层是人造界面层，包含由锂金属和溶解在非水溶剂中的酸反应产生的盐和/或化合物，其中人造界面层传导锂离子并且不传导电子。在第一实施方案的一个方面，人造界面层的深度为1nm至1000nm。在第一实施方案的另一个方面，所述酸是有机酸或无机酸。在第一实施方案的一个特殊方面，所述酸是选自硼酸、氨基磺酸、抗坏血酸和3-膦酰基丙酸中的一种。在第二实施方案中，本公开提供一种电化学电池，包括：锂金属阳极；能够吸收和释放锂离子的阴极；和设置在锂金属阳极和阴极之间的非水电解质；其中人造界面层位于非水电解质和锂金属阳极之间，人造界面层包含由金属锂和溶解在非水溶剂中的酸反应得到的盐和/或化合物，并且人造界面层传导锂离子并且不传导电子。在第二实施方案的一个方面，人造界面层的深度为1nm至1000nm。在第二实施方案的另一个方面，酸是有机酸或无机酸，并且在另一方面，酸是选自硼酸、氨基磺酸、抗坏血酸和3-膦酰基丙酸中的一种。在第三实施方案中，本公开提供一种固态电化学电池，包括：锂金属阳极；能够吸收和释放锂离子的阴极；和锂金属阳极和阴极之间的固态电解质；其中人造界面层位于固体电解质和锂金属阳极之间，人造界面层包含由金属锂和溶解在非水溶剂中的酸反应得到的盐和/或化合物，并且人造界面层传导锂离子并且不传导电子。在第三实施方案的一个方面，人造界面层的深度为1nm至1000nm。在第三实施方案的另一个方面，酸是有机酸或无机酸，并且在另一方面，酸是选自硼酸、氨基磺酸、抗坏血酸和3-膦酰基丙酸中的一种。在第三实施方案的一个特定方面，能够吸收和释放锂离子的阴极包含单质硫，并且在专门方面，阴极还包含硒和/或碲。在第三实施方案的另一个特殊方面，固体电解质是硫代磷酸锂固体电解质，并且硫代磷酸锂可以掺杂有选自LiF、LiCl、LiBr、LiI、Li3N、Li3P、Li2O、Li3BO3和LiBH4的锂盐。附图说明当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易获得本公开及其许多伴随优点的更完整理解，其中：图1显示了用于测试锂金属电极上的界面的对称电池设计和组件。图2A显示了使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极的Li-Li对称电池的长期循环，其未根据本公开的实施方案处理。图2B示出了图2A的第一和最终循环。图3A显示了使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和用纯DMSO溶剂处理的锂金属电极的Li-Li对称电池的长期循环。图3B示出了图3A的第一和最终循环。图4A显示了根据一个实施方案，使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极的Li-Li对称电池的长期循环，用DMSO溶剂中的硼酸处理过该锂金属电极。图4B示出了图4A的第一和最终循环。图5A显示了根据一个实施方案，使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极的Li-Li对称电池的长期循环，用DMSO溶剂中的氨基磺酸处理过该锂金属电极。图5B示出了图5A的第一和最终循环。图6A显示了根据一个实施方案，使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极的Li-Li对称电池的长期循环，所述锂金属电极用DMSO溶剂中的抗坏血酸处理过。图6B示出了图6A的第一和最终循环。图7A显示了使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质的Li-Li对称电池的长期循环。在测试之前，用DMSO溶剂中的3-膦酰基丙酸处理锂金属电极。平均剥离和镀覆电势在循环中是稳定的，但图7B显示电势分布在第一和最终循环之间变化。连续循环中的相同曲线表明在界面中发生可逆过程。图8A显示了根据一个实施方案，使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极在1mA/cm2下长期循环的Li-Li对称电池，所述锂金属电极用DMSO溶剂中的硼酸处理过。图8B示出了图8A的第一和最后循环的电势分布。图9A显示了根据一个实施方案，使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极在2mA/cm2下长期循环的Li-Li对称电池，所述锂金属电极用DMSO溶剂中的硼酸处理过。图9B示出了图9A的第一和最后循环的电势分布。图10A显示了根据一个实施方案，使用碘化锂掺杂的硫代磷酸锂固体电解质和锂金属电极在4mA/cm2下长期循环的Li-Li对称电池，所述锂金属电极用DMSO溶剂中的硼酸处理过。图10B示出了图10A的第一和最后循环的电势分布。图11显示了根据本公开的实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属的锂电极，其具有的表面层是人造界面层，包含由金属锂和溶解在非水溶剂中的酸反应得到的盐和/或化合物，其中人造界面层传导锂离子并且不传导电子。

【技术特征摘要】
2018.01.12 US 62/616,5441.一种锂金属的锂电极，其具有的表面层是人造界面层，包含由金属锂和溶解在非水溶剂中的酸反应得到的盐和/或化合物，其中人造界面层传导锂离子并且不传导电子。2.根据权利要求1所述的锂电极，其中所述人造界面层的深度为1nm至1000nm。3.根据权利要求1的锂电极，其中所述酸是有机酸或无机酸。4.根据权利要求1的锂电极，其中所述酸是选自硼酸、氨基磺酸、抗坏血酸和3-膦酰基丙酸中的一种。5.一种电化学电池，包括：锂金属阳极；能够吸收和释放锂离子的阴极；和设置在锂金属阳极和阴极之间的非水电解质；其中，人造界面层位于非水电解质和锂金属阳极之间，人造界面层包含由金属锂和溶解在非水溶剂中的酸反应得到的盐和/或化合物，和人造界面层传导锂离子并且不传导电子。6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中所述人造界面层的深度为1nm至1000nm。7.根据权利要求5的电化学电池，其中酸是有机酸或无机酸。8.根据权利要求5的电化学电池，其中酸是选自硼酸、氨基磺酸、抗坏血酸和3-膦酰基丙酸中的一种。9.一种固态电化学电池，包括：锂金属阳极；能够吸收和释放锂离子的阴极；和设置在锂金属阳极和阴极之间的固态电解质；其中人造界面层位于固体电解质和锂金属阳极之间，人造界面层包含由金属锂和溶解在非水溶剂中的酸反应得到的盐和/或化合物，和人造界面层传导锂离子并且不传导电子。10.根据权利要求9...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·马尔登，P·J·邦尼克，K·须藤，T·S·阿瑟，E·永井，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，
类型：发明
国别省市：美国,US