用于抑制电化学结构中的枝晶和粗糙度的设备、系统和方法技术方案

一种涉及跨电化学电池单元的电极，例如电池的阳极，来感应电场和/或磁场(场感应电流)的方法以及相关联的电池和电池充电单元。跨所述电极的场和电流在本文中可以被称为横向电流，因为此电流通常横向于可在对电池进行充电时所施加的离子充电电流。所述场和电流可以通过跨所述电极或在所述电极的一个或多个离散点处连接AC能量，例如AC电流，来感应。除了其它优点之外，感应场和电流可以抑制枝晶生长，所述枝晶生长是在没有AC能量的常规电池中所经历的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于抑制电化学结构中的枝晶和粗糙度的设备、系统和方法相关申请的交叉引用本专利合作条约(PCT)申请与于2018年1月12日提交的题为“APPARATUS,SYSTEMANDMETHODFORDENDRITEANDROUGHNESSSUPPRESSION”的美国专利申请第62/617,103号有关并且要求所述美国专利申请的优先权，所述美国专利申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。本申请也是于2017年7月13日提交的题为“ELECTROCHEMICALMETHODS,DEVICESANDCOMPOSITIONS”的美国非临时专利申请第15/649,633号的部分继续申请，所述美国非临时专利申请根据35U.S.C.§119要求于2016年7月13日提交的题为“ELECTROCHEMICALMETHODS,DEVICESANDCOMPOSITIONS”的美国临时专利申请第62/361,650号的优先权，所述美国非临时专利申请和所述美国临时专利申请两者均出于所有目的通过引用整体并入本文。
本申请涉及电化学，并且具体而言涉及电化学结构，例如电池，以及用于抑制所述电化学结构中的枝晶和类似物的生长的方法和装置。
技术介绍
电池通常包括一个或多个反电荷源的电化学电池单元以及由离子导电屏障分离的第一电极层，所述离子导电屏障通常是充满电解质的液体或聚合物膜。这些层被制得很薄，因此多个单元可以占据电池的体积，从而增加具有每个堆叠单元的电池的可用功率。随着这些组件变得更薄，其也变得更加脆弱。进一步地，随着电极变得更薄，跨表面会出现更大的欧姆降，从而导致在充电/放电循环期间电荷密度均匀性降低。仍进一步地，电池电极可以在电池的充电循环期间获得生长(或枝晶)，这可能进一步损坏电池或使电池性能降级。例如，锂离子电池通常具有金属氧化物电极(M通常为铁、钴、锰)以及涂覆在金属集电器上的碳电极。金属氧化物用于在电池放电期间吸引和稳定锂离子并且通常确定电池的操作电势。金属氧化物电极最初处于氧化态，而碳是输注有锂离子的石墨。在放电期间(也就是说，正常使用电池以向装置提供电力)，Li+离子在石墨烯层之间扩散到石墨的边缘部位，并且然后穿过固体电解质中间相(SEI)。SEI是当锂最初与有机电解质的组分(包含无机和有机副产物)进行反应时形成的层。分别与石墨和电解质相比，SEI对电子和离子两者的导电性均较差，因此SEI的性质和质量往往确定电池的整体性能。锂离子从SEI继续扩散穿过离子输送层并且朝着金属氧化物扩散，所述金属氧化物被还原为LiMxOy。在充电期间，Li+离子遵循相反路径并且反而最终穿过SEI扩散回去并且嵌入回碳中。在理想的充电条件下，锂离子能够在不会产生可能导致电镀的过度极化的情况下在边缘部位处进入石墨(速率限制步骤)。如果电池单元电压变得太高、电极太过极化或SEI多孔、不均匀或太厚或太薄，则会出现电镀问题。在极端情况下，呈枝晶形式的Li0聚集体可能在电池内产生爆炸危险。具体地，如果Li0到达相对电极，则电池可能会短路，并且在Li0沉积期间形成的枝晶可能会损坏将电池划分为两部分的膜。在锂金属电极的情况下或在石墨电极上的电镀事件下，沉积物随着随后的充电/放电循环变得越来越粗糙。锂金属电池(锂箔阳极)和锂离子电池(嵌入到石墨/箔阳极中的锂离子，其中集电器通常是铜)两者在电池的充电循环期间均经受锂枝晶的生长。尽管锂离子阳极可以稳定数百个循环，但是锂金属中会立即产生枝晶。一旦形成，枝晶就会降低电池的库仑效率、损坏离子膜，并且如果枝晶接触阳极，则可能使电池短路。常见地形成枝晶刺穿或不可逆地损坏电解质膜。如果枝晶生长到达相对电极，则电池将永久短路并且无法恢复。除了考虑到这些问题之外，还设想了本公开的特点。
技术实现思路
以下实施例及其特点用意指示例性和说明性而其范围不受限制的系统、工具和方法进行描述和说明。在各个实施例中，已经减少或消除了上文所描述的问题中的一个或多个问题，而其它实施例涉及其它改进。本文提供了用于将电极最佳地保持在电化学电池如电池(无论是充电、放电还是休眠)中的方法。所述方法抑制和逆转枝晶生长并且控制SEI的质量和愈合，两者均是大多数电池性能降低和最终故障的常见原因。具体地，本文提供了一种方法，所述方法包括跨电化学电池单元的电极，例如电池的阳极，来感应电场和/或磁场(场感应电流)。跨所述电极的场和电流在本文中可以被称为横向电流，因为此电流通常横向于可在对电池进行充电时所施加的离子充电电流。所述场和电流可以通过跨所述电极或在所述电极的一个或多个离散点处连接AC能量，例如AC电流，来感应。在电解质与电极的表面之间存在化学势的情况下，跨电极的表面感应电势。感应电势跨电极的表面传播并且对所述电极的表面进行充电。在本文所描述的任何方法或装置中，此电极可以是第一电极。另一个实施例涉及一种充电方法，所述充电方法包括：在包含第一电极和第二电极的电池中，将直流(DC)充电电流施加到所述第一电极和所述第二电极中的一个电极。结合施加所述DC充电电流，将交流(AC)能量施加到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极。除了本文所讨论的优点之外，AC能量的存在还可以抑制枝晶生长。本公开的特点可以进一步涉及电池充电器，所述电池充电器包括：电源，所述电源包含第一导体和第二导体，其中所述电源被配置成通过所述第一导体将直流(DC)充电电流施加到与所述电池充电器可操作地耦接的电池的第一电极和第二电极中的一个电极。所述电源可以被进一步配置成通过所述第二导体将交流(AC)能量施加到所述可操作地耦接的电池的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极。又另一特点可以涉及各种可能的电池设计，所述各种可能的电池设计并入了图案化层(影响共振，并且更具体地可以影响阳极的共振)；以及AC信号影响阳极；以及除了其它优点之外的抑制枝晶生长的总体影响。在一个实例中，一种电池，其可以包括：第一电极(例如，阳极)；以及离子输送层，所述离子输送层包含第一侧和第二侧，所述第一侧与所述第一电极可操作地耦接。所述电池可以进一步包含：第二电极，所述第二电极与所述离子输送层的所述第二侧可操作地耦接；以及图案化层，所述图案化层与所述第一电极可操作地耦接，其中所述图案化层被配置成接收不同于充电能量或放电能量的AC能量。另外的实施例和特征部分地在以下描述中阐述，并且在检查说明书时，对本领域技术人员而言将部分地变得显而易见，或可以通过实践本文所讨论的实施例得知。可以通过参考形成本公开的一部分的说明书和附图的其余部分来实现对某些实施例的进一步理解。附图说明在附图的参考图中展示了示例实施例。旨在使所公开的实施例和附图是说明性而非限制性的。图1描绘了典型电池单元的层的横截面视图。图2A描绘了典型电池单元的层的横截面视图，其中展示了锂金属电池的常见问题。图2B描绘了充电期间电池单元中的枝晶生长。图2C描绘了电池放电期间对电池的固体电解质中间相层的损坏。图3描绘了跨电池单元的第一电极的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种充电方法，包括：/n在包含第一电极和第二电极的电池中，将直流DC充电电流施加到所述第一电极和所述第二电极中的一个电极；以及/n结合施加所述直流充电电流，将交流AC能量施加到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180112 US 62/617,1031.一种充电方法，包括：
在包含第一电极和第二电极的电池中，将直流DC充电电流施加到所述第一电极和所述第二电极中的一个电极；以及
结合施加所述直流充电电流，将交流AC能量施加到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极。


2.根据权利要求1所述的充电方法，其中将交流能量施加到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极抑制了表面不规则现象。


3.根据权利要求1所述的充电方法，进一步包括将所述交流能量施加到所述第一电极，其中所述第一电极是阳极。


4.根据权利要求3所述的充电方法，进一步包括将所述直流充电电流施加到所述阳极。


5.根据权利要求4所述的充电方法，其中所述直流充电电流是恒定的或脉冲的，这两者之中的至少一种。


6.根据权利要求3所述的充电方法，进一步包括跨所述阳极施加所述交流能量，其中所述交流能量包括交流电流。


7.根据权利要求6所述的充电电流，其中所述交流电流的频率介于100Hz与300GHz之间。


8.根据权利要求3所述的充电方法，进一步包括在所述阳极的一点处施加所述交流能量。


9.根据权利要求1所述的充电方法，进一步包括基于所述阳极的共振而施加所述交流能量。


10.根据权利要求3所述的充电方法，进一步包括：
以一频率将所述交流能量施加到所述阳极；以及
调整所述频率。


11.一种方法，包括：
将交流AC波形施加到包括多个层的电池单元的电极，所述交流波形在所述电池单元的所述多个层中的至少一个层中感应电动力效应。


12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电动力效应包括动电效应。


13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在存在所述交流波形的情况下，将充电电流施加到所述电池单元的所述电极，所述充电电流不同于所述交流波形。


14.根据权利要求11所述的方法，其中所述电池单元的所述电极是阳极。


15.根据权利要求12所述的方法，其中所述电池单元的所述多个层中的所述至少一个层包括固体电解质中间相SEI层，所述固体电解质中间相层位于所述阳极与电解质层之间。


16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述固体电解质中间相层上的所述电动力效应包括减少所述固体电解质中间相层内的一种或多种枝晶的生长。


17.根据权利要求11所述的方法，其中所述电动力效应包括将金属沉积物溶解在所述电池单元的电解质层中，所述金属沉积物不与所述电池的所述电极导电地电连通。


18.根据权利要求11所述的方法，其中所感应的电动力效应包括在所述电极的表面上移位多个高电流密度区域和多个低电流密度区域。


19.根据权利要求11所述的方法，其中所述交流波形通过与所述电极的单个接触点而施加到所述电池单元的所述电极。


20.根据权利要求11所述的方法，其中所述交流波形通过所述交流波形的辐射而施加到所述电池单元的所述电极。


21.根据权利要求11所述的方法，其中所述电极包括石...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·A·科诺普卡，鲁本·萨卡尔，
申请(专利权)人：英奥创公司，
类型：发明
国别省市：美国;US