用于充电电池的具有电化学活性的中间层制造技术

本公开内容提供了一种充电电池，其包括负极、正极，与所述负极和所述正极接触的电解质，以及在所述电解质中设置在所述负极与所述正极之间的中间层，其中，所述负极构造成允许一个或多个枝晶在从所述负极到所述中间层的方向上生长，以将所述负极电耦合到所述中间层；所述中间层构造成在所述负极与所述中间层之间形成电耦合时与所述电解质中存在的阳离子发生电化学反应，从而抑制所述一个或多个枝晶在从所述中间层到所述正极的方向上生长。本公开内容还提供了设置在充电电池的电解质中的负极与正极之间的中间层，其中该中间层抑制一个或多个枝晶在从中间层到正极的方向上生长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于充电电池的具有电化学活性的中间层相关申请本申请要求2018年7月13日提交的新加坡专利申请No.10201806028W的优先权，出于所有目的，其全部内容通过引用并入本文。
本公开内容涉及充电电池。本公开内容还涉及一种可设置在充电电池中的负极与正极之间的中间层，其中该中间层抑制一个或多个枝晶在从中间层到正极的方向上生长。
技术介绍
充电电池可广泛用作各种电子设备的电源，包括电动汽车(EV)、手机和笔记本电脑。还发现了它们可应用于电动汽车和网格存储。尽管充电电池已被广泛使用，但仍然存在对其安全性的担忧。例如，在过去的十年中，似乎发生了许多与使用充电电池相关的火灾/爆炸。充电电池的三个主要组件是正极、负极和电解质。实际上，正极和负极通常由薄的多孔隔膜电隔离。隔膜可以填充有电解质以提供离子传导性。根据正极和负极之间的电化学反应，已经开发了各种充电电池，例如锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池、钠硫电池、钠空气电池和锌空气电池。这些电池中的某些电池将离子主体材料用于正极和负极(例如锂离子电池和钠离子电池)。因此，可以将它们视为不含金属的电池。其他电池可以使用金属作为负极(例如锂硫电池、锂空气电池、钠硫电池、钠空气电池和锌空气电池)。在各种情况下，充电电池在金属枝晶的生长方面存在严重的问题。这是电池安全问题的主要原因。例如，在锂离子电池中，即使将它们设计和制造为不含锂金属的电池，在苛刻的条件下(例如过充电和过大电流的情况下)，在充电(负极侧还原)期间，锂金属仍可能沉积在负极上。沉积的锂可能以枝晶的形式横穿隔膜生长。由于两个电极被锂枝晶桥接，可能会导致内部短路进而产生安全问题。类似地，其他不含金属的充电电池发生会引起安全问题的金属枝晶的潜在生长，例如钠离子电池。取决于充电电池的电化学性，可能生长不同的金属枝晶。例如，锂枝晶和钠枝晶可能分别在锂离子电池和钠离子电池中生长。与不含金属的电池相比，对于某些基于金属负极(例如锂、钠和锌)的充电电池，枝晶问题可能更为严重。这可能是因为在循环过程中，金属枝晶在这些基于金属负极的电池中更容易生长。实际上，与金属枝晶生长相关的安全性往往是使这些基于金属负极的电池的商业化仍然受到限制的主要原因之一。为了克服充电电池中金属枝晶的生长，已经进行了许多努力来开发无枝晶金属镀覆技术，方法是使用改良的先进的电解质和隔膜，以及使用原位形成的或人工膜来改进电极/电解质界面。改良的和先进的固体/聚合物电解质、隔膜和人工膜也可用于物理抑制枝晶的生长。尽管这些方法可以帮助改善金属负极的稳定性，并改善充电电池的循环寿命/贮藏寿命，但它们都无法完全克服枝晶的生长。或者，研究人员建议通过与位于正极与负极之间并与负极电隔离的化学活性层反应来去除金属枝晶。在给定活性层的厚度的情况下，这种化学活性层的有效性有限，因为其趋于仅与有限量的金属枝晶反应。这是因为在化学活性层的局部点(与金属枝晶接触的点)之后和与金属枝晶反应的附近部分仍然充满了金属离子，金属枝晶继续生长并到达正极，从而导致短路。简而言之，控制金属枝晶的生长对于遭受枝晶问题的充电电池仍然是一个挑战。因此，需要提供一种解决和/或改善上述问题的解决方案。该解决方案至少应提高充电电池的使用安全性及充电安全性。
技术实现思路
在第一方面，本文提供了一种充电电池，其包括：负极；正极；与所述负极和所述正极接触的电解质；以及在所述电解质中设置在所述负极与所述正极之间的中间层，其中，所述负极构造成允许一个或多个枝晶在从所述负极到所述中间层的方向上生长，以将所述负极电耦合到所述中间层；所述中间层构造成在所述负极与所述中间层之间形成电耦合时与所述电解质中存在的阳离子发生电化学反应，从而抑制所述一个或多个枝晶在从所述中间层到所述正极的方向上生长。在另一方面，本文提供了一种在充电电池的电解质中可设置在负极与正极之间的中间层，其中，所述负极构造成允许一个或多个枝晶在从所述负极到所述中间层的方向上生长，以将所述负极电耦合到所述中间层；所述中间层构造成在所述负极与所述中间层之间形成电耦合时与所述电解质中存在的阳离子发生电化学反应，从而抑制所述一个或多个枝晶在从所述中间层到所述正极的方向上生长。附图说明附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本专利技术的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本公开的各种实施例，其中：图1A是具有活性FeOOH层的测试电池在第一锂枝晶生长阶段的示意图。在实施例1B中对此进行了讨论。图1B是具有活性FeOOH层的测试电池在第二锂枝晶生长阶段的示意图。在实施例1B中对此进行了讨论。图1C示出了在4mAcm-2的电流下电池的不同端子之间的电压曲线。只要FeOOH层的电势高于镀覆锂的电势，就可以在该层抑制锂枝晶的生长。图2A是不具有活性层的测试电池在第一锂枝晶生长阶段的示意图。在比较例1中对此进行了讨论。图2B是不具有活性层的测试电池在第二锂枝晶生长阶段的示意图。在比较例1中对此进行了讨论。图2C示出了在4mAcm-2的电流下电池的不同端子之间的电压曲线。图3A是用于说明双负极法的设计和工作原理的示意图。具体地，图3A描绘了常规的电池配置。枝晶穿过隔膜生长，导致电池短路。图3B是示出双负极法的设计和工作原理的示意图。具体地，图3B示出了具有设置于正极与负极之间但与正极和负极电隔离的中间层的电池。枝晶的生长在中间层停止，因为Li+离子与第二负极发生电化学反应，而取代枝晶生长。图4示出了用于模拟在充电过程中中心桥接有锂枝晶的第二负极上的电流和电势分布的模型。图5A比较了分别在图1A和图2A中使用的具有和不具有FeOOH层的浸有电解质的隔膜。具体地，图5A示出了在具有和不具有FeOOH层的电池上进行的电化学阻抗谱(EIS)测量的奈奎斯特图。图5B示意性地示出了不具有FeOOH层的用于测量的电池。不具有FeOOH层的电池的电阻约为2.6Ω。图5C示意性地示出了具有FeOOH层的用于测量的电池。具有FeOOH层的电池的电阻约为3.5Ω。当4mAcm-2的放电电流流过隔膜时，与图5B中不具有中间层的电池相比，具有中间层的电池的增加电阻产生约1mV的电压降。对于实际应用而言，这种微小的电压降可以忽略不计。图6A比较了分别在图1A和图2A中使用的具有和不具有FeOOH层的电池性能。使用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM，3M公司)电极作为工作电极，并且使用锂金属作为对电极进行测量。具体地，图6A示出了在30mAg-1下的典型充电/放电曲线的比较。图6B比较了分别在图1A和图2A中使用的具有和不具有FeOOH层的电池性能。具体地，图6B示出了倍率性能和循环特性的比较。结果表明，与纯聚乙烯(PE)相比，具有FeOOH层的隔膜(PE/FeOOH/Au/PE)不会损害在容量及倍率性能方面的电池性能。而且，具有中间层的隔膜支持更好的循环特性。图7示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种充电电池，其包括：/n负极；/n正极；/n与所述负极和所述正极接触的电解质；以及/n在所述电解质中设置在所述负极与所述正极之间的中间层，其中，所述负极构造成允许一个或多个枝晶在从所述负极到所述中间层的方向上生长，以将所述负极电耦合到所述中间层；所述中间层构造成在所述负极与所述中间层之间形成电耦合时与所述电解质中存在的阳离子发生电化学反应，从而抑制所述一个或多个枝晶在从所述中间层到所述正极的方向上生长。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180713 SG 10201806028W1.一种充电电池，其包括：
负极；
正极；
与所述负极和所述正极接触的电解质；以及
在所述电解质中设置在所述负极与所述正极之间的中间层，其中，所述负极构造成允许一个或多个枝晶在从所述负极到所述中间层的方向上生长，以将所述负极电耦合到所述中间层；所述中间层构造成在所述负极与所述中间层之间形成电耦合时与所述电解质中存在的阳离子发生电化学反应，从而抑制所述一个或多个枝晶在从所述中间层到所述正极的方向上生长。


2.根据权利要求1所述的充电电池，其中，所述中间层构造成包括一种或多种活性材料。


3.根据权利要求2所述的充电电池，其中，所述一种或多种活性材料包括Si、Sn、Al、Sb、P、石墨、非晶碳、SnSb、SnO、SnO2、MnO2、V2O5、TiO2、FeO、Fe3O4、Fe2O3、FeOOH、FePO4、NiCo2O4、SnS、SnS2、Sb2S3、NiS、Ni3S2、CoS2、CuS、FeS2、NiP3或其组合。


4.根据权利要求2或3所述的充电电池，其中，所述中间层从所述负极接收电子用于所述中间层中包括的一种或多种活性材料，以当所述一个或多个枝晶接触所述中间层时与所述阳离子发生电化学反应。


5.根据权利要求1至4中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层包括不导电的活性材料层。


6.根据权利要求1至5中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层构造成导电的。


7.根据权利要求1至6中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层是多孔的。


8.根据权利要求1至6中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层是无孔的。


9.根据权利要求1至8中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层包括至少一种导电介质，所述导电介质包括铜、金、镍、不锈钢、导电碳、导电聚合物或其组合。


10.根据权利要求1至9中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层通过位于(i)所述负极与所述中间层和/或(ii)所述正极与所述中间层之间的隔膜与所述负极和/或所述正极电隔离。


11.根据权利要求10所述的充电电池，其中，所述隔膜构造成离子传导膜。


12.根据权利要求10或11所述的充电电池，其中，所述隔膜包括聚乙烯、聚丙烯或其组合。


13.根据权利要求10至12中的任一项所述的充电电池，其中，所述隔膜用作设置有所述中间层的基板。


14.根据权利要求1至13中的任一项所述的充电电池，其中，所述中间层构造成包括粘合剂。


15.根据权利要求14所述的充电电池，其中，所述粘合剂包括聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚环氧乙烷、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、聚四乙二醇二丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素钠或其组合。


16.根据权利要求1至15中的任一项所述的充电电池，其中，所述阳离子包括锂离子。


17.根据权利要求1至16中的任一项所述的充电电池，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余灵辉，徐梽川，王禄源，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG