锂金属阳极及其制造方法技术

锂金属阳极具有层压到锂金属(或合金)层的集电体箔，所述锂金属(或合金)层具有至少部分嵌入其中的颗粒材料，以减少枝晶形成，并且因此提高所述阳极的性能和循环寿命。使用辊压工艺能够方便地生产所述锂阳极。工艺能够方便地生产所述锂阳极。工艺能够方便地生产所述锂阳极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂金属阳极及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张2020年7月07日提交的名称为“多功能锂金属阳极及其制备(Multifunctional Lithium Metal Anode and Its Preparation)”的美国临时专利申请第63/048,921号、2020年8月26日提交的名称为“锂金属阳极的制备方法(Preparation Method of Lithium Metal Anode)”的美国临时专利申请第63/070,656号以及2019年10月28日提交的名称为“制备锂复合阳极的方法(Method of Preparing Lithium Composite Anode)”的美国临时专利申请第62/927,082号的权益，并且上述申请中的每一者通过引用以其整体并入本文。


[0003]本专利技术总体上涉及能量存储装置中的金属阳极，更具体地，涉及适用于电化学存储装置，例如电池和其它抗枝晶形成的应用中的锂金属阳极。

技术介绍

[0004]锂金属具有高容量并且易于加工。锂金属是用于下一代电子装置以及电动车辆的最有前途的高能量和大功率阳极材料之一，因为其具有3860mAh/g的比容量，比石墨高近十倍，并且其最低氧化还原电化学电势为
‑
3.04V(相对于标准氢电极)。这些性质使锂金属成为下一代电池中用作阳极的有前途且有吸引力的材料。然而，传统电池技术中使用锂的一个共同问题在于它易于形成枝晶。枝晶是在电极的表面上形成的锂金属的小晶须。枝晶的形成可能导致电池性能差、库仑效率低、循环寿命差、电化学和热不稳定性以及短路，这继而可能导致电池过热并且甚至燃烧(即失火)。
[0005]不期望受任何特定理论的束缚，枝晶形成的这些缺点被认为归因于固体锂金属的高反应性以及电极与电解质之间不利的相互作用。具体而言，根据现有技术形成锂金属阳极的一种工艺包括将锂金属镀覆到固体电解质界面(“SEI”)膜上。这被认为会引起SEI膜中的裂纹。随着附加的锂金属被镀覆，锂枝晶在空间、空隙或裂纹中形成。然后，经镀覆的SEI膜经历从经镀覆的SEI膜剥离锂枝晶的工艺。同时，经镀覆的SEI膜皱缩或收缩，从而导致进一步破裂。随着阳极的循环，隔离的锂枝晶积累并且在经镀覆的SEI膜的表面上形成一层“死”锂，从而产生一层厚的SEI膜和多孔电极。这些性质导致效率降低、短路和容量衰减。
[0006]尽管在现有技术中已经尝试减缓枝晶形成，但是没有一种方法能够提供一种实用的和成本有效的解决方案来将具有多功能性质的固态粒子施用到锂金属阳极。因此，本专利技术的目的是提供减少枝晶形成并且具有更均匀表面形貌的锂金属阳极。
[0007]又一个目的是提供一种通过直接或间接向锂金属阳极施用具有多功能性质的固态粒子来制造锂金属阳极的稳健、实用和成本有效的工艺。
[0008]本专利技术的附加目的是提供固体锂金属阳极，其中一种或多种粒子被贴合、添加或以其它方式嵌入在锂金属的表面或整个部分中，以减缓锂枝晶生长。
[0009]本专利技术的另一个目的是提供一种锂金属阳极，其限定了具有铜箔的层压体，所述
铜箔已经用具有多功能性质的一个或多个粒子群组直接或间接处理过，所述粒子群组选自：(1)聚合物；(2)可用于任何电解质材料的有机材料；(3)可溶于溶剂中的无机材料、可极化锂盐、不可极化锂盐及其组合；以及(4)金属亲锂材料和非金属亲锂材料，及其混合物。
[0010]又一个目的是提供制造上述锂金属阳极的一种或多种方法。
[0011]通过参考附图和所附权利要求书进一步阅读说明书，这些和其它目的将变得显而易见。

技术实现思路

[0012]本专利技术涉及锂金属阳极，其中多功能颗粒材料的一个或多个群组被添加或嵌入阳极上或阳极内，从而形成锂金属复合阳极。在一个实施例中，颗粒材料选自：(1)聚合物；(2)可用于任何电解质材料的有机材料；(3)可溶于溶剂中的无机材料、可极化锂盐、不可极化锂盐及其组合；以及(4)金属亲锂材料和非金属亲锂材料，及其混合物。颗粒材料必须满足以下标准中的至少一者：(a)至少部分可溶于包括液体电解质和固体电解质的非水电解质中；(b)在活化之后引起电解质的粘度的改变；(c)在活化之后引起离子电导率的改变；(d)在活化之后引起锂扩散系数的改变；和(e)在活化之后引起表面形貌的降低。可替代地，颗粒材料可以不可溶但可分散在包括液体电解质和固体电解质的非水电解质中。本专利技术的复合锂金属阳极优选如下制备：将颗粒材料直接分布到一部分锂金属上，或通过聚合物衬底间接分布；将一部分锂金属或聚合物衬底添加到颗粒之上以形成层压体；以及将层压体引入压机中两个辊之间形成的辊隙中，以将颗粒材料至少部分添加、压制和/或嵌入所述一部分锂金属中。
附图说明
[0013]图1是根据本专利技术的锂金属阳极的第一实施例的示意图，具体示出了嵌入锂金属膜层的表面上的颗粒材料。
[0014]图2是根据本专利技术的锂金属阳极的替代实施例的示意图，具体示出了嵌入在两层锂金属膜之间的一层颗粒材料。
[0015]图3是根据本专利技术的锂金属阳极的替代实施例的示意图，具体示出了嵌入并分散在整个锂金属膜中的颗粒材料。
[0016]图4是制造本专利技术的锂金属阳极的工艺的示意图。
[0017]图5是制造本专利技术的锂金属阳极的替代工艺的示意图。
具体实施方式
[0018]参考图1至图3，本专利技术的一个或多个阳极包括至少一部分锂金属和一种或多种颗粒材料。在图1中所示的实施例中，锂阳极10具有集电体层，例如铜箔12和上覆在铜箔层12上的锂金属层14，但是应当理解，本专利技术的实施例在没有集电体层的情况下也是令人满意的。将多种一种或多种颗粒材料16添加到锂部分14的表面18上或嵌入整个锂金属部分14。在图2的实施例中，阳极100具有铜箔层112、上覆在铜箔层112上的第一锂金属层114和上覆在第一锂金属层114上的第二锂金属层116，优选形成叠层。将多种一种或多种颗粒材料118添加和/或嵌入第一锂金属层114与第二锂金属层116之间。在图3的实施例中，阳极200包括
铜箔层212和上覆在铜箔层212上的锂金属层214。将多种一种或多种颗粒材料216随机或有意地分散在整个锂金属层214中和锂层214的表面216上。
[0019]制造本专利技术的锂金属阳极的一种优选工艺通常被描述为辊涂法，其中多种一种或多种颗粒材料被分布、添加或沉积到材料层的表面上，并且然后被引入在两个压辊之间形成的辊隙中，以至少部分地将颗粒材料压制或嵌入材料层中。现有技术教示了使用润滑剂来防止锂金属粘到辊上，但这并不是优选的，因为润滑剂被认为是污染物，并且可能对最终锂金属阳极的性能产生负面影响。具体参照图4，所述工艺可以包括以下步骤：(1)提供第一层300；(2)将颗粒材料310的一个或多个群组添加、沉积或以其它方式分布到第一层300的表面上；(3)提供与颗粒材料310接触的第二膜层320，以将颗粒材料310“夹在”或层压在第一层300与第二膜层320之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种形成用于电池的锂金属阳极的方法，所述方法包括，提供至少一部分锂金属，通过固态工艺在所述一部分锂金属的至少一部分上添加一种或多种颗粒材料，对所述一部分锂金属和所述一种或多种颗粒材料进行压制，以便将所述一种或多种颗粒材料粘附或嵌入所述一部分锂金属上或所述一部分锂金属中，其中所述一种或多种颗粒材料抑制或消除枝晶的形成。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述添加一种或多种颗粒材料的步骤选自通过进料装置将所述一种或多种颗粒材料直接添加在所述锂金属的所述一部分上，或者通过进料装置将所述一种或多种颗粒材料间接添加在所述锂金属的所述一部分上。3.根据权利要求2所述的方法，其中间接添加一种或多种颗粒材料进一步包括将所述一种或多种颗粒材料添加到膜层上，并且将所述膜层附着到所述一部分锂金属上，通过固态工艺将所述一种或多种颗粒材料从所述膜层转移到所述一部分锂金属。4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使所述一部分锂金属穿过在上压辊与下压辊之间形成的辊隙的步骤，从而产生具有分散并且嵌入整个阳极的一种或多种颗粒材料的所述阳极。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一部分锂金属选自锂复合材料、锂合金或由聚合物衬底支撑的锂金属。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种颗粒材料限定以下性质中的至少一者：(a)所述一种或多种颗粒材料至少部分可溶于包括液体电解质和固体电解质的非水电解质中；(b)所述颗粒材料在活化之后引起电解质的粘度的改变；(c)所述颗粒材料在活化之后引起离子电导率的改变；(d)所述颗粒材料在活化之后引起锂扩散系数的改变；和(e)所述颗粒材料在活化之后引起锂金属层的表面上的表面形貌的改变。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种颗粒材料限定以下性质中的至少一者：(a)所述一种或多种颗粒材料不溶于并且可分散于包括液体电解质和固体电解质的非水电解质中；(b)所述颗粒材料在活化之后引起电解质的粘度的改变；(c)所述颗粒材料在活化之后引起离子电导率的改变；(d)所述颗粒材料在活化之后引起锂扩散系数的改变；和(e)所述颗粒材料在活化之后引起锂金属层的表面上的表面形貌的改变。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种颗粒材料选自基本上由以下组成的群组：聚合物；有机材料，其用于电解质中并且可溶于碳酸酯溶剂和非碳酸酯溶剂中；以及金属亲锂材料和非金属亲锂材料；以及它们的组合。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种颗粒材料被定义为选自以下的聚合物：聚丙烯腈；聚偏二氟乙烯、聚氧化乙烯；聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚邻苯二甲酸酯、聚酰亚胺、聚酯、聚氨酯、尼龙、纤维素、木质素和聚四氟乙烯，以及它们的组合。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种颗粒材料被定义为无机化合物，无论其是否溶解在溶剂中，选自双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、双(草酸)硼酸锂(LiBOB)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵成镇，曹钟寿，
申请(专利权)人：曹钟寿，
类型：发明
国别省市：