用于锂金属电极的保护性涂层制造技术

本发明专利技术题为“用于锂金属电极的保护性涂层。”本发明专利技术提供了用于锂金属电极的双层保护性涂层以及与其相关的形成方法。负极组件包括电活性材料层，该电活性材料层包括锂金属和保护性双层涂层。保护性双层涂层包括设置在电活性材料层的表面上的聚合物层和设置在聚合物层的暴露表面上的无机层。聚合物层具有大于或等于约0.01GPa至小于或等于约410GPa的弹性模量。无机层具有大于或等于约10GPa至小于或等于约1000GPa的弹性模量。

【技术实现步骤摘要】
用于锂金属电极的保护性涂层
技术介绍
本节段提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。本公开涉及用于锂金属电极的保护性涂层。更具体地讲，保护性涂层为双层，其包括设置在锂金属电极材料上的有机层和设置在该有机层上的无机层。本公开也涉及制备保护性涂层的方法。通过背景，高能量密度的电化学电池(诸如锂离子蓄电池)可用于多种消费产品和车辆，诸如混合动力电动车(HEV)和电动车(EV)。典型的锂离子蓄电池和锂硫蓄电池包括第一电极、第二电极、电解质材料和隔板。一个电极用作正极或阴极(放电时)，而另一个电极用作负极或阳极(放电时)。可电连接蓄电池单元的叠堆以增加总输出。通过在负极与正极之间来回可逆地传递锂离子来操作常规的可再充电锂离子蓄电池。隔板和电解质设置在负极与正极之间。电解质适用于传导锂离子，并且可为固体(例如，固态扩散)或液体形式。锂离子在蓄电池充电期间从阴极(正极)移动到阳极(负极)，并且在蓄电池放电时以相反的方向移动。可使用许多不同的材料来形成用于锂离子蓄电池的部件。常见的负极材料包括锂嵌入材料或合金主体材料，类似碳基材料，诸如锂-石墨嵌入化合物或锂-硅化合物、锂-锡合金和钛酸锂(LTO)(例如，Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3，诸如Li4Ti5O12)。负极也可由金属锂(通常称为锂金属阳极(LMA))制成，使得电化学电池被认为是锂金属蓄电池或电池。在可再充电蓄电池的负极中使用金属锂具有多种潜在的优点，包括具有最高的理论容量和最低的电化学势。因此，结合有锂金属阳极的蓄电池可具有更高的能量密度，从而可使存储容量加倍并且使蓄电池的尺寸减半，同时维持与其它锂离子蓄电池类似的循环寿命。因此，锂金属蓄电池是对于高能量存储系统最有希望的候选者中的一个。然而，在一些情况下，锂金属蓄电池也具有潜在的缺点。例如，锂可具有相对高水平的反应性，这可促进不利的枝状体形成。此外，包含锂金属的阳极可在连续充电和放电循环期间经历体积膨胀和收缩。此类体积变化可导致电活性材料的疲劳开裂和爆裂。因此，期望开发在商用锂离子蓄电池中成功使用锂金属作为电活性材料的材料和方法，特别是用于运输应用。具体地，期望此类材料使不期望的副反应最小化，同时也适应锂金属的体积膨胀和收缩。
技术实现思路
本节段提供了本公开的一般概述，并且未全面公开本公开的全部范围或本公开的所有特征。在各个方面，本公开提供了用于使锂循环的电化学电池的负极组件。在结合到电化学电池中之前，负极组件包括电活性材料层和保护性双层涂层。电活性材料层可包括锂金属，并且保护性双层涂层可包括聚合物层和无机层。聚合物层可为离子导电的。聚合物层设置在电活性材料层的表面的至少一个区域上，并且无机层可设置在该聚合物层上。聚合物层可具有大于或等于约0.01GPa至小于或等于约410GPa的弹性模量，并且无机层可具有大于或等于约10GPa至小于或等于约1000GPa的弹性模量。在一个方面，聚合物层可包含一种或多种有机材料，该一种或多种有机材料具有大于或等于约10-7mS/cm至小于或等于约100mS/cm的离子电导率。在一个方面，聚合物层可包含一种或多种有机材料，该一种或多种有机材料选自由以下项组成的组：全氟(2-(2-磺酰基乙氧基)丙基乙烯基醚)-四氟乙烯共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、磺化四氟乙烯基含氟聚合物-共聚物以及它们的组合。在一个方面，聚合物层可具有大于或等于约20nm至小于或等于约2μm的厚度。在一个方面，聚合物层可包含一种或多种有机材料，该一种或多种有机材料具有大于或等于约10-15mS/cm至小于或等于约10-7mS/cm的离子电导率。在一个方面，聚合物层可包含一种或多种有机材料，该一种或多种有机材料选自由以下项组成的组：全氟(2-(2-磺酰基乙氧基)丙基乙烯基醚)-四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺(PI)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)以及它们的组合。在一个方面，该聚合物层可具有大于或等于约2nm至小于或等于约500nm的厚度。在一个方面，无机层可包括一种或多种无机材料，该一种或多种无机材料选自由以下项组成的组：氧化锂(Li2O)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氟化锂(LiF)、铝酸锂(LiAlO2)、锂镧锆氧化物(Li7La3Zr2O12)(LLZO)、锂磷氮氧化物(LIPON)以及它们的组合，并且该一种或多种无机材料可具有大于或等于约1nm至小于或等于约5μm的厚度。在一个方面，保护性双层涂层基本上由聚合物层和无机层组成。聚合物层可包含全氟(2-(2-磺酰基乙氧基)丙基乙烯基醚)-四氟乙烯共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚酰亚胺(PI)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、磺化四氟乙烯基含氟聚合物-共聚物以及它们的组合，以及无机层可包含氧化锂(Li2O)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氟化锂(LiF)、铝酸锂(LiAlO2)、锂镧锆氧化物(Li7La3Zr2O12)(LLZO)、锂磷氮氧化物(LIPON)以及它们的组合。在多个其它方面，本公开提供了一种使锂离子循环的电化学电池。该电化学电池包括负极、正极、隔板和电解质。负极可包括电活性材料层和保护性双层。该电活性材料层限定第一暴露表面，并且保护性双层涂层可设置在大于或等于电活性材料层的第一暴露表面的约90％上。该电活性材料层可包括锂金属，并且保护性双层涂层可包括聚合物层和设置在该聚合物层上的无机层。在一个方面，聚合物层可包含一种或多种有机材料，该一种或多种有机材料选自由以下项组成的组：全氟(2-(2-磺酰基乙氧基)丙基乙烯基醚)-四氟乙烯共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、磺化四氟乙烯基含氟聚合物-共聚物以及它们的组合。该聚合物层可具有大于或等于约10-7mS/cm至小于或等于约100mS/cm的离子电导率和大于或等于约20nm至小于或等于约2μm的厚度。在一个方面，聚合物层可包含一种或多种有机材料，该一种或多种有机材料选自由以下项组成的组：全氟(2-(2磺酰基乙氧基)丙基乙烯基醚)-四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺(PI)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)以及它们的组合。聚合物层可具有大于或等于约10-15mS/cm至小于或等于约10-7mS/cm的离子电导率和大于或等于约2nm至小于或等于约500nm的厚度。在一个方面，聚合物层可具有大于或等于约0.01GPa至小于或等于约410GPa的弹性模量，并且无机层可具有大于或等于约10GPa至小于或等于约1000GPa的弹性模量。无机层可包括一种或多种无机材料，该一种或多种无机材料选自由以下项组成的组：氧化锂(Li2O)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氟化锂(LiF)、铝酸锂(LiAlO2)、锂镧锆氧化物(Li7La3Zr2O12)(LLZO)、锂磷氮氧化物(LIPON)以及它们的组合。在一个方面，电解质可为固态电解质，并且无机层可具有大于或等于约1nm并且小于或等于约5μm的厚度。在一个方面，无机层可包括一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极组件，所述负极组件用于使锂循环的电化学电池，其中在结合到所述电化学电池中之前，所述负极组件包括：/n电活性材料层，所述电活性材料层包含锂金属；和/n保护性双层涂层，所述保护性双层涂层为离子导电的，所述涂层包括：/n聚合物层，所述聚合物层设置在所述电活性材料层的表面的至少一个区域上，所述聚合物层具有大于或等于约0.01GPa至小于或等于约410GPa的弹性模量；以及无机层，所述无机层设置在所述聚合物层上，所述无机层具有大于或等于约10GPa至小于或等于约1000GPa的弹性模量。/n

【技术特征摘要】
20181228 US 16/2348731.一种负极组件，所述负极组件用于使锂循环的电化学电池，其中在结合到所述电化学电池中之前，所述负极组件包括：
电活性材料层，所述电活性材料层包含锂金属；和
保护性双层涂层，所述保护性双层涂层为离子导电的，所述涂层包括：
聚合物层，所述聚合物层设置在所述电活性材料层的表面的至少一个区域上，所述聚合物层具有大于或等于约0.01GPa至小于或等于约410GPa的弹性模量；以及无机层，所述无机层设置在所述聚合物层上，所述无机层具有大于或等于约10GPa至小于或等于约1000GPa的弹性模量。


2.根据权利要求1所述的负极组件，其中所述聚合物层包含一种或多种有机材料，所述一种或多种有机材料具有大于或等于约10-7mS/cm至小于或等于约100mS/cm的离子电导率。


3.根据权利要求2所述的负极组件，其中所述聚合物层包含选自由以下项组成的组中的一种或多种有机材料：全氟(2-(2-磺酰基乙氧基)丙基乙烯基醚)-四氟乙烯共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、磺化四氟乙烯基含氟聚合物-共聚物以及它们的组合。


4.根据权利要求2所述的负极组件，其中所述聚合物层具有大于或等于约20nm至小于或等于约2μm的厚度。


5.根据权利要求1所述的负极组件，其中所述聚合物层包含一种或多种有机材料，所述一种或多种有机材料具有大于或等于约10-15mS/cm至小...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖兴成，李滨松，H·高，郭凯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，布朗大学，
类型：发明
国别省市：美国;US