用于制造利用锂和固体无机电解质的储能装置的方法制造方法及图纸

在本发明专利技术中，介绍了一种用于生产利用锂的电化学储能装置以及用于生产所述装置中所使用的材料的方法，使得在生产中利用包括锂金属的阳极、无机固体电解质，以及通过压力和/或温度的手段将阳极和阴极组件连接在一起。所述锂金属层至少部分是通过脉冲激光沉积法产生的。本发明专利技术的方法可以利用通过不同的方法和所谓的卷对卷方法生产的各种无机固体电解质以及不同的手段将压力和/或温度耦合到被加工的组件。件。件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造利用锂和固体无机电解质的储能装置的方法


[0001]本专利技术涉及利用锂的电化学储能装置(如电池和电容器)、其结构以及用于这些装置中的材料的制造。本专利技术特别涉及锂电池、锂离子电池或锂离子电容器的至少一种含锂组件的制造方法，所述方法利用各种涂覆方法以及材料的压实和连接方法。

技术介绍

[0002]随着移动装置、电动汽车和储能需求的增长，对电池技术发展的需求也在增加。Li离子电池已在许多应用中取得成功，尤其是因为与传统的Ni
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Cd(镍
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镉)和Ni
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Mn(镍
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锰)电池相比，它们具有良好的能量密度和充电可能性等。
[0003]如今，广泛适应的锂电池技术基于由过渡金属氧化物制成的正极(阴极)和碳基负极(阳极)。Li离子在正负电极间的迁移途径是电解质，在目前的解决方案中大多为液体，但利用固态电解质的方法正在积极开发中。特别是在液体电解质的情况下，在阳极和阴极之间使用微孔聚合物分离器作为绝缘体，所述绝缘体防止阳极和阴极的接触，但允许离子通过分离器膜。
[0004]Li离子电池的能量密度取决于电极材料可逆存储锂的能力以及电池中可用于离子交换的锂量。当使用电池时，意味着能量从电池中提取或存储在电池中，锂离子在正极和负极之间移动。在使用过程中，电极材料会发生化学和结构变化，从而影响材料的储锂能力或锂量。
[0005]当谈到锂电池时，通常指以金属锂为阳极的Li金属电池。Li阳极的优点是它的能量密度高，但它们的使用受到了所谓的Li枝晶不受控制的增长(即形成针状突起)的限制，这可能导致电池单元短路，因为枝晶能够穿透分离器膜并且电连接阳极和阴极。这是一个重大的安全风险。此外，锂具有高反应性，这就是为什么需要对其处理和使用进行特殊设置，以避免反应产物的有害影响。例如，该反应性容易导致在锂金属表面形成厚的SEI层。此外，当如此使用锂金属时，在没有支撑框架作为阳极的情况下，由于在电池放电状态下阳极不含锂，因此阳极的体积变化可以是无限的。
[0006]如前所述，Li金属阳极的使用部分受到从阳极到阴极枝晶生长的风险的限制，这可能导致电池短路和损坏、火灾或甚至爆炸。防止枝晶生长的一种方法是使用固体电解质，其可以是无机材料或聚合物。无机材料比聚合物更有效地防止枝晶从阳极到阴极的生长。此外，聚合物在室温下的离子电导率不如最好的无机电解质，如LPS材料(例如Li7P3S
11
、Li
9.6
P3S
12
)，并且为了提高离子电导率，可能需要加热电池。
[0007]与使用固体电解质有关的一个挑战是确定固体电解质分布在阴极一侧，使得使来自阴极粒子的离子能够在整个阴极层内移动。这意味着，优选地应在固体电解质的基质中产生一种阴极粒子均匀分布的结构，在所述基质中，所述固体电解质形成离子通过的连续途径。生产这样的结构是困难的。
[0008]另一种解决方案是将无机固体电解质和聚合物固体电解质或液体电解质结合在同一个电池概念中，在这种情况下，更容易在阴极材料中产生所需的阴极粒子和电解质分
布。如前所述，与聚合物相关的挑战是它们在室温下的离子电导率差。与液体电解质相关的某些问题是，随着时间的推移，它们着火或降解的风险很高。与无机固体电解质相比，聚合物和液体电解质的优势在于它们能更好地降低Li离子电池充放电过程中体积变化所产生的机械应力。另一方面，不同的固体电解质的硬度(即杨氏模量)也不同，并且例如硫代硫酸盐，如LPS(Li7P3S
11
、Li
9.6
P3S
12
)的杨氏模量明显低于几种氧化物，如LLZO。较低的杨氏模量可以减少电池在充放电过程中产生的应力。
[0009]与使用锂金属相关的限制因素之一是难以与其它材料形成可靠的结合。例如，已经发现，将Li金属结合到金属箔集流器上从而使其触点能够承受长期的使用是具有挑战性的。
[0010]可能需要各种保护涂层，以最大限度地减少不同材料(尤其是含锂材料)之间界面处的有害电化学和化学反应，并最大限度地减少电池或电容器材料在使用过程中发生的损伤。此外，保护涂层可能需要锂化，以作为Li离子转运剂发挥作用。例如，在阴极表面，可以应用无机材料，如ZnO、Al2O3、AlPO4、AlF3，它们的含锂形式允许Li离子通过，但阻止了阴极和电解质之间的反应或防止阴极组件的溶解。固态电解质，如Li2.88PO3.73N0.14(LIPON)、Li10GeP2S12(LGPS)、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、Li9.6P3S12(LPS)、Li1.3Al0.3Ti1.7(LATP)、LLTO、LLMO(M＝Zr、Nb、Ta)可以作为电极的保护涂层发挥作用。尤其是，上述LLMO型电解质可用作机械耐用的保护涂层和支撑框架。
[0011]Li金属阳极在不同界面处的稳定性不同。例如，有前景的固体电解质Li7P3S11、Li9.6P3S12(LPS)与Li金属阳极接触的稳定性窗口很窄，因此有必要使用中间层。例如，当与Li金属或LPS固体电解质配对时，LLZO的电化学稳定性窗口较宽。
[0012]例如，为了将Li金属用于储能应用，应该能够生产尤其具有以下性质的Li金属层：
[0013]·
Li金属在层内和界面上不含杂质和有害反应产物。
[0014]·
该层对各种基板材料具有良好的附着力。
[0015]·
可以精确控制Li金属的含量和层的厚度。
[0016]·
Li金属阳极通过具有足够离子电导率和能够防止Li金属枝晶从阳极到阴极生长的至少一层固体电解质与阴极隔开。
[0017]·
在阴极材料层中，可以使用无机固体电解质，所述无机固体电解质与阴极粒子分布良好，并且在室温下具有足够的离子电导率。

技术实现思路

[0018]本专利技术公开了一种用于生产应用于锂电池、Li离子电池和Li离子电容器中的含锂材料和材料层的方法，其中所述方法在室温下或在高温下利用激光烧蚀沉积、固体无机电解质和机械压缩。所述方法适用于材料层和涂层的大规模工业化生产。所述方法可以利用与Li金属阳极配对的具有最佳技术性质的无机固体电解质，而无需使用液体电解质或聚合物电解质。
[0019]在本专利技术的方法中，通过利用两个单独的组件来生产Li离子电池，所述两个单独的组件最后通过温度和压力的方式或将两者组合成Li离子电池的组件进行连接，在所述组件中固体电解质占电解质总量的至少80％。
[0020]第一组件是阳极，其包括集流器，如铜或镍箔，Li金属层和无机材料层，所述无机
材料具有足够的离子电导率以实现电池的功能。
[0021]第二组件是阴极，其包括集流器，如铝箔，和阴极材料层，其中阴极粒子和无机固体电解质以及其它必要的成分，如提高导电性的组分，形成复合材料，使得所述固体电解质形成离子传导的基本上连续途径。
[0022]在阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生产包括锂(Li)和无机固体电解质材料的电化学储能装置的方法，所述方法包括：
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用于在生产阳极组件时将锂金属沉积在金属集流器(6)表面的方法
‑
用于在生产阳极组件时将至少一种无机固体电解质沉积在锂金属表面的方法
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用于在生产阴极组件时将包括无机固体电解质、提高导电性的组分和阴极材料的混合物沉积在金属集流器(11A，11B)上的方法其特征在于，
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阴极和阳极是作为单独的组件产生的
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所述阳极组件的锂金属层(5A，5B，5C)至少部分是通过PLD方法在金属集流器(6)上产生的
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至少一个无机固体电解质层(7A，7B)是通过利用沉积方法在所述阳极组件的所述锂金属层(5A，5B，5C)上产生的
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所述阴极和阳极组件的接触表面由无机固体电解质构成
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所述阴极和阳极组件通过它们的接触表面通过压力和/或温度的手段连接在一起。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积在所述阳极组件的所述集流器上的所述锂金属层(5A，5B，5C)的厚度最多为30微米。3.根据前述权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述锂金属层(5A，5B，5C)已至少在两个阶段中产生，并且其第一层的厚度最多为5微米并通过PLD方法产生。4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述锂金属层(5A，5B，5C)的表面，已产生厚度最多为50微米的至少一种无机材料的涂层。5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述锂金属层(5A，5B，5C)的表面，已产生两种或更多种无机材料的涂层，使得最多有一种材料不是离子导电材料。6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述锂金属层(5A，5B，5C)的表面，已产生无机涂层，使得至少一个材料层是无机固体电解质硫代硫酸盐，所述硫代硫酸盐至少包括硫、磷和锂。7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚里，
申请(专利权)人：普尔塞德翁公司，
类型：发明
国别省市：