多层结构锂金属电极及其制造方法技术

本发明专利技术涉及多层结构锂金属电极及其制造方法，具体地，涉及包含如下的多层结构锂金属电极：在锂金属板上形成的氮化锂(Li

Lithium metal electrode with multilayer structure and its manufacturing method

The invention relates to a multilayer structure lithium metal electrode and a manufacturing method thereof, in particular to a multilayer structure lithium metal electrode comprising: lithium nitride (LI) formed on a lithium metal plate

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多层结构锂金属电极及其制造方法
本专利技术涉及多层结构锂金属电极及其制造方法，更特别地，涉及包含如下的多层结构锂金属电极：在锂金属板上形成的包含氮化锂(Li3N)的缓冲层，和在所述缓冲层上形成的包含LiBON的保护层，并涉及多层结构锂金属电极的制造方法，所述方法包括通过反应性溅射在锂金属板上连续形成氮化锂缓冲层和LiBON保护层。
技术介绍
已经开发了需要电池的各种装置如移动电话、无线电子设备和电动车辆。这种装置的开发已经带来了对二次电池需求的增长。特别地，除了电子产品的小型化倾向之外，二次电池的重量和尺寸已经逐渐减小。伴随着这种趋势，最近，锂金属二次电池(锂金属电池，LMB)受到许多关注。锂金属二次电池将锂用作负极。锂具有低密度和-3.04V的低标准还原电位的优点，因此是轻质的并且对由其制造的二次电池赋予高能量。韩国专利公开2013-0043117号公开了使用锂金属氧化物如LiNiCoMnO2、LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4的锂二次电池。一般来讲，二次电池将锂氧化物用作负极。这是由于锂金属的反应性非常优异而导致的。锂金属与空气中的水分反应而产生副产物如LiOH、Li2O和Li2CO3。另外，当用于电极的锂金属暴露于电解液时，产生阻抗物质。这可能显著地使制造的电池的性能劣化并且引起内部短路。另外，不利的是，锂由于差的强度而难以操作并且难于用作电极。因此，需要开发使用锂金属以改善能量效率、解决锂的反应性的问题并简化制造过程的电极。现有技术文献专利文献专利文献1：韩国专利公开2013-0043117号(公开日期：2013年4月29日)
技术实现思路
技术问题因此，鉴于上述问题而做出本专利技术，并且本专利技术的一个目的是提供如下的多层结构锂金属电极，其包含用于在单电池(cell)制造中防止空气中存在的水分与锂金属之间的剧烈反应以确保安全性的保护层，和用于防止其中在形成保护层的过程中由氧与锂之间的副反应形成的氧化物导致离子传导性降低的问题的缓冲层。本专利技术的另一个目的是提供具有优异加工性的电极的制造方法，所述方法通过在一个室中通过反应性溅射在锂金属板上按序且连续地形成缓冲层和保护层而进行。技术方案根据本专利技术，上述和其它的目的可以通过提供如下的多层结构锂金属电极而实现，所述多层结构锂金属电极包含在锂金属板上形成且包含氮化锂(Li3N)的缓冲层，和包含具有由下式1表示的组成的LiBON的保护层：[式1]LixBOyNz其中x为0.9～3.51，y为0.6～3.2且z为0.5～1.0。所述缓冲层可以形成在所述锂金属板的一面或两面上，优选地，形成在所述锂金属板的面向电解质的面上。在一个实施方式中，具有由式1表示的组成的LiBON可以包含选自Li3.09BO2.53N0.52、Li0.90BO0.66N0.98和Li3.51BO3.03N0.52中的任一者，但本专利技术不限于此。在一个实施方式中，所述锂金属板可以具有30～500μm的厚度。在一个实施方式中，作为缓冲层的氮化锂层可以具有0.01～5μm的厚度。在一个实施方式中，作为保护层的LiBON层可以具有0.1～10μm的厚度。在一个实施方式中，形成氮化锂缓冲层或LiBON保护层的方法没有特别限制，并且所述氮化锂缓冲层或LiBON保护层可以通过选自电子束蒸发、有机金属化学气相沉积、反应性溅射、高频溅射和磁控管溅射中的方法形成。在本专利技术的另一个方面，提供通过反应性溅射制造多层结构锂金属电极的方法，所述方法包括向真空室中供给锂金属板，通过反应性溅射在所述锂金属板的一面或两面上形成氮化锂(Li3N)薄膜，并且通过反应性溅射在所述氮化锂薄膜上连续形成具有由式1表示的组成的LiBON薄膜。在本专利技术的另一个方面，提供一种锂二次电池，其包含负极、正极和夹设于所述正极和所述负极之间的电解质，其中根据本专利技术的多层结构锂金属电极被用作负极。有益效果本专利技术的多层结构锂金属电极可以通过形成保护层来保护锂金属的反应性免受水分或电池内环境的损害，并且防止枝晶的形成。另外，缓冲层的形成防止由在保护层形成过程中在锂金属板上形成的氧化物层引起离子传导性劣化的问题。附图说明图1为示出根据本专利技术的一个实施方式的多层结构锂金属电极的示意图。图2为示出根据本专利技术的一个实施方式的多层结构锂金属电极的制造方法的流程图。具体实施方式在下文中，将参考所附附图详细描述本专利技术的优选实施方式。应注意，在所附附图中，同样的要素尽可能由相同的标号表示。另外，与可能使本专利技术的主题不清楚的公知功能或构造相关的详细说明将被省略。出于相同的原因，在附图中，一些要素被夸大，省略或示意性示出。图1为示出根据本专利技术的一个实施方式的多层结构锂金属电极的示意图。参照图1，本专利技术的锂金属电极1000包含在锂金属板上形成的缓冲层1210和保护层1220。如在本图中所示的，缓冲层1210和保护层1220仅形成于锂金属板1100的一面上。然而，层1210和1220可以形成在所述锂金属板1100的两面上。一般来讲，用于电池负极的锂金属导致以下问题。首先，锂是爆炸性地与水反应的碱金属，因此在一般环境下难以制造和使用。第二，当将锂用作负极时，其与电解质或水、电池中的杂质、锂盐等反应，而产生钝化层。该层导致局部电流密度差异，由此生成树枝状锂枝晶。另外，生成的枝晶可能生长并越过隔膜的孔，并直接引起与正极的内部短路，由此导致电池爆炸。第三，锂为软金属，由于弱的机械强度，其在没有另外的表面处理的情况下要使用的操作性能不足。因此，通过形成缓冲层1210和保护层1220，本专利技术可以防止钝化层和枝晶的形成，并且增强机械强度。另外，缓冲层1210阻挡了锂金属在电池制造环境下的反应性，由此提供容易的操作性并防止离子传导性的劣化。锂金属板1100可以为板状金属。所述锂金属板的宽度可以根据电极形状进行控制，从而容易地制造电极。锂金属板的厚度可以为30～500μm。缓冲层1210包含氮化锂(Li3N)并可以形成在锂金属板1100的上面和下面二者上，或仅形成在面向电解质层的一面上。当不形成缓冲层1210时，在形成保护层1220的过程中，锂金属在暴露于空气中的水分等时被氧化，而产生可能导致离子传导性劣化的Li2O。因此，在本专利技术中形成氮化锂薄膜以防止电极的氧化，而不是改善电池性能。因此，将氮化锂层涂布至足够的厚度以防止锂电极的表面在暴露于水分或空气时氧化。当氮化锂层过厚时，电极的厚度不必要地增大。优选地，氮化锂层的厚度为0.01～5μm。将保护层1220沉积在缓冲层1210上以防止锂金属板1100直接暴露于电解液并且由此防止锂与电解质的反应。另外，本专利技术的保护层1220包含LiBON并因此显示导电性，由此促进离子向电极转移并改善电池寿命和性能。LiBON可以由下式1表示：[式1]本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层结构锂金属电极，所述多层结构锂金属电极包含：/n锂金属板；/n缓冲层，所述缓冲层在所述锂金属板上形成且包含氮化锂；和/n保护层，所述保护层在所述缓冲层上形成且由具有由下式1表示的组成的LiBON构成：/n[式1]/nLi

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20141023 KR 10-2014-0144248;20151020 KR 10-2015-011.一种多层结构锂金属电极，所述多层结构锂金属电极包含：
锂金属板；
缓冲层，所述缓冲层在所述锂金属板上形成且包含氮化锂；和
保护层，所述保护层在所述缓冲层上形成且由具有由下式1表示的组成的LiBON构成：
[式1]
LixBOyNz
其中x为0.9～3.51，y为0.6～3.2且z为大于0.5且小于或等于1.0。


2.根据权利要求1所述的多层结构锂金属电极，其中所述缓冲层形成在所述锂金属板的面向电解质的面上。


3.根据权利要求1所述的多层结构锂金属电极，其中所述具有由式1表示的组成的LiBON是选自Li3.09BO2.53N0.52、Li0.90BO0.66N0.98和Li3.51BO3.03N0.52中的任一者。


4.根据权利要求1或2所述的多层结构锂金属电极，其中所述锂金属板的厚度为30～500μm。


5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙炳国，张民哲，朴恩囧，梁斗景，崔净勋，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR