用于锂二次电池的负极及其制造方法技术

本发明专利技术题为“用于锂二次电池的负极及其制造方法”。本发明专利技术公开一种用于二次锂金属电池的电化学电池单元的负极，该负极可包括负极集流体和形成在该集流体的表面上的三维柱状锂金属层。该柱状锂金属层可包括多个锂金属柱，并且可使用电化学沉积工艺形成在集流体上。在这种工艺中，集流体和反电极可至少部分地浸没在非水液体电解质溶液中，并且可在金属基底与反电极之间建立电势，使得电解质溶液中的锂离子被还原为金属锂并且将金属锂以三维柱状锂金属层的形式沉积在集流体的表面上。电解质溶液可包括在氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二碳酸二甲酯(DMDC)的溶液中的双(氟代磺酰)亚胺锂(LiFSI)。

Negative electrode for lithium secondary battery and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
用于锂二次电池的负极及其制造方法
技术介绍
电池是使用电化学还原氧化(氧化还原)反应将化学能转化成电能的装置。在二次电池或可再充电电池中，这些电化学反应是可逆的，这允许电池发生多个充电和放电循环。二次锂电池通常包括一种或多种电化学电池单元，这些电化学电池单元包括负极、正极、多孔隔板、电解质、负极集流体和正极集流体。此类电池通过每个电化学电池单元的负极与正极之间的锂离子和电子的协同运动来供电。电解质具有离子传导性，并且为锂离子通过电化学电池单元在负极与正极之间的传导提供介质。集流体是导电的，并且允许电子经由外部电路同时从一个电极行进到另一个电极。多孔隔板将电极彼此物理地分离并电绝缘，同时允许游离离子在两者间流动。锂金属是二次锂金属电池所需的负极材料，这是由于锂金属的高比容量(3,860mAh/g)及其相对低的还原电势(-3.04V相对标准氢电极)。当锂金属被用作电池中的负极材料时，该负极中的锂金属在电池放电期间被氧化成锂离子(Li+)，并且锂离子从负极穿过电解质行进到存储锂离子的正极。当电池再充电时，锂离子从正极释放，并且从正极行进穿过电解质并返回至负极，在负极中锂离子被还原成锂金属并再沉积。锂金属电池可放电和再充电(或循环时)的速率取决于锂金属在负极处被氧化成锂离子的速率和锂离子在负极处被还原成锂金属并再沉积的速率。此外，在电池放电和再充电期间可用于参与氧化和还原反应的锂金属的量取决于在不发生不可逆副反应的情况下锂离子从负极剥离并在负极处再沉积的效率。因此，本领域需要一种改善负极处锂离子重复剥离和再沉积的效率和速率的方法以便改善二次锂金属电池的充电速率和库仑效率。
技术实现思路
一种用于锂金属电池的电化学电池单元的负极可包括金属负极集流体和形成在该集流体表面上的三维柱状锂金属层。柱状锂金属层可包括多个多晶或无定形的锂金属柱，这些锂金属柱具有邻近集流体表面的近侧端部和延伸离开集流体的远侧端部。锂金属柱可物理地结合到集流体的表面。柱状锂金属层可具有在10微米至100微米范围内的厚度。锂金属柱中的每一个可具有在0.5微米至1.5微米范围内的宽度。柱状锂金属层可具有在3％至4％范围内的孔隙率。集流体的表面可以是平面的，并且柱状锂金属层的表面可以是非平面的。二次锂金属电池的电化学电池单元可包括正极、负极以及与正极和负极有离子接触的电解质。正极可包括电耦合至金属正极集流体的正极电极活性材料层。电解质可包括非水液体电解质溶液，该电解质溶液包括溶解在极性非质子有机溶剂中的锂盐。锂盐可包括双(氟代磺酰)亚胺锂(LiFSI)，并且极性非质子有机溶剂可包括氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二甲酸二甲酯(DMDC)。二次锂金属电池可包括多个电化学电池单元。电化学电池单元可以以串联布置或并联布置连接。在制造用于锂金属电池的电化学电池单元的负极的方法中，可提供导电的金属基底和非水液体电解质溶液。电解质溶液可包括溶解在极性非质子有机溶剂中的锂盐。锂盐可包括双(氟代磺酰)亚胺锂(LiFSI)，并且极性非质子有机溶剂可包括氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二甲酸二甲酯(DMDC)。金属基底的表面可至少部分地浸没在电解质溶液中。可在金属基底与至少部分地浸没在电解质溶液中的反电极之间建立电势。电解质溶液中的锂离子可被还原为金属锂，并且将金属锂以三维柱状锂金属层的形式沉积在金属基底的表面上。柱状锂金属层可包括多个多晶或无定形的锂金属柱，这些锂金属柱具有邻近集流体表面的近侧端部和延伸离开集流体的远侧端部。柱状锂金属层按重量计可包括大于97％的锂并且可直接结合到集流体的表面。非水液体电解质溶液可具有在2M至6M范围内的锂盐浓度。双(氟代磺酰)亚胺锂按重量计可占非水液体电解质溶液中锂盐的70％以上。氟代碳酸亚乙酯和二甲酸二甲酯的混合物按体积计可占非水液体电解质溶液中有机溶剂的70％以上。柱状锂金属层可具有在10微米至100微米范围内的厚度。锂金属柱中的每一个可具有在0.5微米至1.5微米范围内的宽度。柱状锂金属层可具有在3％至4％范围内的孔隙率。集流体的表面可以是平面的，并且柱状锂金属层的表面可以是非平面的。在金属基底与反电极之间的电势可通过以0.5mA/cm2至5mA/cm2范围内的电荷电流密度向反电极施加电荷来建立。在一种形式中，在金属基底与反电极之间的电势可通过向反电极施加脉冲电荷来建立。金属基底可以是非多孔的并且可包括第一主表面和相对的第二主表面。在这种情况下，柱状锂金属层可形成在金属基底的第一主表面或第二主表面中的至少一个上。在锂金属层形成在金属基底的表面上后，金属基底和锂金属层可形成为表现出所需尺寸和形状的负极。负极可以结合到二次锂金属电池的电化学电池中。附图说明图1为负极的侧剖视图，该负极包括负极集流体，该负极集流体具有形成于其第一主表面上的第一锂金属层和形成于其第二主表面上的第二锂金属层；图2为图1的负极的一部分的放大透视图，其示出了锂金属层中的一个三维柱状结构；图3为用于经由电化学沉积工艺在导电金属基底表面上形成三维柱状锂金属层的设备的实施方案的剖视图；图4为使用电化学沉积工艺在铜基底上形成的三维柱状锂金属层的顶表面的扫描电镜(SEM)图像；图5为图4的三维柱状锂金属层的横截面的SEM图像；图6为使用电化学沉积工艺在铜基底上形成的平面锂金属层的顶表面的SEM图像；并且图7为图6的平面锂金属层的横截面的SEM图像。具体实施方式本文所述的负极使用锂金属而不是锂嵌入材料作为负极活性材料，并且因此与包括其它元素或化合物作为负极活性材料的电化学电池单元相比，锂金属可用于制造具有相对高能量密度的电化学电池单元。在制造负极的期间，金属锂以由多个锂金属柱组成的多孔的三维柱状锂金属层的形式沉积在金属基底的表面上。锂金属层的多孔的三维柱状结构增大了该层的活性表面积而不损失容量，这与用基本上平面无孔的锂金属层作为负极活性材料制造的电化学电池单元相比可有助于增加电化学电池单元的充电速率和循环寿命。图1以理想化的方式示出了用于二次锂金属电池(未示出)的电化学电池单元(未示出)的负极10的侧剖视图。负极10包括负极集流体12，该负极集流体具有第一主表面14和相对的第二主表面16。第一锂金属层18直接形成在集流体12的第一主表面14上，而第二锂金属层20直接形成在集流体12的第二主表面16上。在组件中，负极10可电耦合至正极(未示出)，该正极可包括在两侧中的一者上涂覆有正极活性材料层的金属正极集流体。多孔隔板层(未示出)可被夹置在负极集流体12的第一锂金属层18或第二锂金属层20中的一者与正极集流体的相对的正极活性材料层之间，使得锂离子可流过相对的锂金属层与正极活性材料层之间的隔板层，同时电子经由外部电路同步在锂金属层与正极活性材料层之间(并且在负极集流体与正极集流体之间)行进。负极集流体12可包括能够收集游离电子并可逆地将游离电子传送至和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造锂金属电池的电化学电池单元的负极的方法，所述方法包括：/n提供导电的金属基底；/n提供非水液体电解质溶液，所述非水液体电解质溶液包含溶解在极性非质子有机溶剂中的锂盐；/n将所述金属基底的表面至少部分地浸没在所述电解质溶液中；以及/n在所述金属基底与至少部分地浸没在所述电解质溶液中的反电极之间建立电势，使得所述电解质溶液中的锂离子被还原为金属锂并且将所述金属锂以三维柱状锂金属层的形式沉积在所述金属基底的所述表面上，/n其中所述锂盐包括双(氟代磺酰)亚胺锂(LiFSI)，并且所述极性非质子有机溶剂包括氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二碳酸二甲酯(DMDC)，并且/n其中所述柱状锂金属层包括多个多晶或无定形的锂金属柱，所述锂金属柱具有邻近集流体表面的近侧端部和延伸离开所述集流体的远侧端部。/n

【技术特征摘要】
20181019 US 16/1652921.一种用于制造锂金属电池的电化学电池单元的负极的方法，所述方法包括：
提供导电的金属基底；
提供非水液体电解质溶液，所述非水液体电解质溶液包含溶解在极性非质子有机溶剂中的锂盐；
将所述金属基底的表面至少部分地浸没在所述电解质溶液中；以及
在所述金属基底与至少部分地浸没在所述电解质溶液中的反电极之间建立电势，使得所述电解质溶液中的锂离子被还原为金属锂并且将所述金属锂以三维柱状锂金属层的形式沉积在所述金属基底的所述表面上，
其中所述锂盐包括双(氟代磺酰)亚胺锂(LiFSI)，并且所述极性非质子有机溶剂包括氟代碳酸亚乙酯(FEC)和二碳酸二甲酯(DMDC)，并且
其中所述柱状锂金属层包括多个多晶或无定形的锂金属柱，所述锂金属柱具有邻近集流体表面的近侧端部和延伸离开所述集流体的远侧端部。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述柱状锂金属层按重量计包含大于97％的锂并且直接结合到所述集流体的所述表面。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述非水液体电解质溶液具有在2M至6M范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·蔡，杨黎，F·许，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US