图案化锂金属、包含其的二次电池用电极和二次电池制造技术

本发明专利技术涉及图案化锂金属、包含其的二次电池用电极和二次电池。所述图案化锂金属使用包括如下步骤的方法制造：1)在硅晶片上形成具有0.001μm～900μm尺寸的均匀凹雕或浮雕图案，其中所述尺寸为长度和宽度；2)将锂金属物理压制到具有形成在其上的均匀图案的硅晶片上或将液态锂涂布到所述硅晶片上并冷却所述液态锂，以在所述锂金属的表面上形成均匀图案；以及3)将具有形成在其上的均匀图案的所述锂金属与所述硅晶片分离。本发明专利技术的图案化的锂金属与常规锂金属相比具有优异的可逆性，因此能够大幅改善电池的寿命。大幅改善电池的寿命。大幅改善电池的寿命。

【技术实现步骤摘要】
图案化锂金属、包含其的二次电池用电极和二次电池
[0001]本专利技术专利申请是基于申请日为2017年12月27日，申请号为201780058174.5，专利技术名称为“锂金属图案化和使用其的电化学装置”的中国专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及锂金属二次电池的负极及其制造方法，更特别地涉及在锂金属上形成微图案的方法、通过所述方法制造的微图案化的锂金属、以及使用其的负极和锂金属二次电池，所述锂金属用作锂金属二次电池的负极。

技术介绍

[0003]随着近来便携式装置如智能手机、膝上型计算机、平板电脑和便携式游戏机的重量减轻和性能提高，对用作其驱动源的二次电池的需求已经改变。过去，使用镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池。目前，正在最大数量地使用的是具有高工作电压和高每单位重量能量密度的锂二次电池。
[0004]可逆地储存和释放锂离子以显示高可逆电位的材料如LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4被用作锂二次电池的正极材料。为了改善锂二次电池的性能和稳定性，仍在开发正极材料。
[0005]具有最高的每单位重量能量密度和最低的标准氢电位(
‑
3.04V)的锂金属被最理想地用作锂二次电池的负极材料。在使用锂金属作为锂二次电池负极材料的情况下，理论上可以获得3860mAhg
‑1的容量，这是目前商用电池容量的10倍以上。然而，在这种情况下，枝晶可能在锂金属的表面上容易地生长，并且这种枝晶可能损坏电池的隔膜，从而可能降低电池的性能和安全性。另外，析出的枝晶可能会突然增加锂金属的比表面积和反应性，从而在与电解液反应后可能形成不具有导电性的聚合物膜。近年来越来越受欢迎的快速充电使得这种效应更加严重。
[0006]为了解决该问题，主要使用能够长时间使用的碳材料如石墨或碳作为负极材料。在锂金属直接用作负极材料的情况下，最大可能的充放电循环次数仅为几十次，这对于实际应用是不够的。因此，已主要使用虽然一次容量小但能长时间使用的材料如石墨或碳。因为锂金属不会析出，所以不会发生由枝晶引起的内部短路或其它问题，从而长时间稳定使用成为可能。负极材料如石墨或碳的理论锂储存容量为372mAhg
‑1，这相当于锂金属的锂储存容量的10％。因此，尽管为了增加锂存储容量已经做了很多努力，但是它没有大幅超过理论限制。
[0007]为了支持便携式装置的性能改进，已经对将锂金属改进到足以实际用作负极材料的水平进行了多种尝试。已经进行了许多尝试来增加用作负极材料的锂金属的表面积。非专利文献1公开了由于锂金属箔电极的机械表面处理而引起的性能变化。图1显示了使用微针处理锂金属表面的方法。使用微针处理锂金属表面是一种经济有效的方法，其中通过简单的辊压能够处理宽的表面积，能够改善充放电以及循环特性，能够降低界面电阻，并能够抑制锂在电极表面上的析出。然而，因为具有形成在其上的微针的辊连续旋转，所以对辊进行成形是非常重要的。如果辊的轴103不位于辊的中心，如图1(b)所示，则辊可能以使得辊
的截面积具有椭圆形101、而不是完全圆形的成形器102的方式旋转。结果，锂金属的表面可能不会被均匀地处理。当在辊表面上形成的微针不均匀时，也可能发生这种不均匀性。考虑到使用微针的表面处理以微米为单位进行，表面的这种不均匀性直接导致电池寿命和性能降低。另外，因为辊比一般的锂金属箔更小，所以难以一次处理大面积的锂金属箔。因此，需要对每个箔旋转辊多次，从而可能不均匀地进行表面处理。这种处理不均匀性对于小面积箔可能不严重，但是在大量制造商品的情况下可能是严重的。
[0008]专利文献1公开了一种制造二次电池用电极的方法，其中对集电器的表面进行处理以具有其中在集电器的整个表面上形成0.001μm～10μm的表面粗糙度Ra的形态。通过具有形成在其表面上的图案的辊来辊压集电器。结果，增加了电极活性材料与集电器之间的粘附力。
[0009]专利文献2公开了一种锂二次电池用负极，所述负极包含：具有形成在其上的凹入和凸起部分的硅集电器；和通过电沉积形成在硅集电器的凸起部分上的作为负极活性材料的锂。为了制造负极，在硅衬底上形成凹入和凸起部分，并且具有形成在其上的凹入和凸起部分的硅衬底镀有金属，或者掺杂有掺杂剂，并且电镀有锂。
[0010]专利文献3公开了一种负极以及包含所述负极的二次电池，所述负极具有以均匀图案方式涂布在其上的导电聚合物。将包含导电聚合物的混合物以具有形成在其上的图案的剥离纸被贴附到集电器表面上的状态涂布到由诸如铜的金属制成的集电器的表面上，并且对混合物进行干燥。随后，除去剥离纸，由此将导电聚合物仅涂布到没有图案的集电器部分。在这种状态下，将包含负极活性材料、粘合剂和导电剂的负极材料涂布到集电器上以制造负极。
[0011]专利文献4公开了一种二次电池用负极，所述负极构造为使得包含负极活性材料、粘合剂和导电剂的负极材料被涂布到集电器。负极材料以三维图案涂布到集电器。可以使用普通方法如喷涂、图案涂布(patter coating)、沉积或腐蚀来形成三维图案。
[0012][专利文献001]韩国专利申请公布10
‑
2013
‑
0116828号
[0013][专利文献002]韩国专利申请公布10
‑
2012
‑
0053180号
[0014][专利文献003]韩国专利申请公布10
‑
2008
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0036261号
[0015][专利文献004]韩国专利申请公布10
‑
2013
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0117930号
[0016][非专利文献001]Myung
‑
Hyun Ryou等，“Mechanical Surface Modification of Lithium Metal:Towards Improved Li Metal Anode Performance by Directed Li Plating(锂金属的机械表面改性：通过定向锂镀敷改善Li金属负极的性能)”，Adv.Funct.Mater.(先进功能材料)25,834
‑
841(2015)

技术实现思路

[0017]技术问题
[0018]本专利技术的目的是提供一种改善用作负极材料的锂金属的性能的方法。本专利技术的另一个目的是通过将锂金属的表面图案化来改善锂金属的可逆性。本专利技术的另一个目的是提供与常规图案化方法相比对更大面积的锂金属进行均匀图案化的方法和容易地一次制造多个图案化锂金属的方法。
[0019]技术方案
[0020]根据本专利技术的第一方面，通过提供一种锂金属表面的图案化方法能够实现上述和其它目的，所述方法包括如下步骤。
[0021]1)在硅晶片上形成具有0.001μm～900μm尺寸的均匀凹雕或浮雕图案的步骤；2)将锂金属物理压制到具有形成在其上的均匀图案的硅晶片上或将液态锂涂布到硅晶片上并冷却液态锂以在锂金属的表面上形成均匀图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图案化锂金属，所述图案化锂金属使用包括如下步骤的方法制造：1)在硅晶片上形成具有0.001μm～900μm尺寸的均匀凹雕或浮雕图案，其中所述尺寸为长度和宽度；2)将锂金属物理压制到具有形成在其上的均匀图案的硅晶片上或将液态锂涂布到所述硅晶片上并冷却所述液态锂，以在所述锂金属的表面上形成均匀图案；以及3)将具有形成在其上...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡午秉，金银卿，禹相昱，曹根植，姜铢熙，崔希源，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：