用于锂金属电池组的负电极的织构化金属基底及其制造方法技术

本发明专利技术公开了用于锂金属电池组的负电极的织构化金属基底及其制造方法。二次锂金属电池组的电化学电池的锂金属负电极包括具有主朝向表面的多晶金属基底，所述主朝向表面具有指定结晶学织构。外延锂金属层形成在多晶金属基底的主朝向表面上。所述外延锂金属层表现出主导晶向。外延锂金属层的主导晶向源自多晶金属基底的主朝向表面的指定结晶学织构。属基底的主朝向表面的指定结晶学织构。属基底的主朝向表面的指定结晶学织构。

【技术实现步骤摘要】
用于锂金属电池组的负电极的织构化金属基底及其制造方法


[0001]本公开涉及锂金属电池组，并且更特别地涉及用于锂金属电池组的负电极的织构化金属基底及其制造方法。

技术介绍

[0002]本公开涉及锂金属电池组，并且更特别地涉及具有织构化表面的多晶金属基底，所述织构化表面被配置为引导在锂金属电池组的初次充电和放电过程中沉积在其上的锂金属晶粒的晶向。
[0003]二次锂电池组通常包括一个或多个电化学电池，其具有负电极、正电极和离子传导电解质，所述离子传导电解质提供用于锂离子在负电极和正电极之间穿过电化学电池传导的介质。负电极和正电极在电化学电池内彼此电隔离并可通过多孔聚合物隔离件彼此间隔开。同时，负电极和正电极经由外部电路在电化学电池外彼此电连接。在实践中，负电极和正电极中的每一个通常承载在导电集流体上并经由其各自的集流体与外部电路连接。配制负电极和正电极材料使得在电池组至少部分地充电时，在电化学电池内的负电极和正电极之间建立电化学势差。
[0004]由于其高比容量（3,860
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mAh/g）和其相对低的还原电势（
‑
3.04
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V 相对标准氢电极），锂金属是二次锂电池组的理想负电极材料。当锂金属用作二次锂金属电池组中的负电极材料时，锂金属负电极材料和正电极材料之间的电化学势差在电池组的放电过程中驱动电化学电池内的自发还原
‑
氧化（氧化还原）反应。在锂金属电池组的放电过程中，负电极中的锂金属被氧化成锂离子（Li
+
）和电子。锂离子穿过离子传导电解质从负电极移动到正电极，并且电子经由外部电路从负电极移动到正电极，这生成电流。在负电极已部分或完全耗尽锂后，电化学电池可通过将负电极和正电极连接到外部电源而再充电，这驱动电化学电池内的非自发氧化还原反应。当锂金属电池组再充电时，存储在正电极材料中的锂金属被氧化成锂离子和电子。锂离子从正电极释放并穿过电解质移动回负电极，其中锂离子被还原成锂金属并沉积在负电极处，例如在负电极集流体的表面上。
[0005]在给锂金属电池组充电时，锂金属可不均匀地沉积在负电极集流体的表面上，这可导致形成支化锂金属结构，其被称为枝晶。这些锂金属枝晶可从负电极向正电极生长，并最终造成内部短路。此外，锂金属在负电极集流体的表面上的不均匀沉积可减少电化学电池中可供参与电化学电池内发生的必要氧化还原反应的锂金属的量，这可降低电池组的循环寿命。
[0006]可合意的是改进锂金属在锂金属电池组的负电极处（例如在负电极集流体的表面上）的沉积均匀性以改进循环寿命，以及电池组的充电和放电倍率。

技术实现思路

[0007]一种用于二次锂金属电池组的电化学电池包括正电极、与正电极间隔开的负电极和与正电极和负电极离子接触的非水性电解质。正电极包含设置在正电极集流体的主表面
上的正电极材料层。负电极包括具有主朝向表面（major facing surface）的多晶金属基底，所述主朝向表面具有指定结晶学织构。外延锂金属层形成在多晶金属基底的主朝向表面上。外延锂金属层表现出主导晶向。外延锂金属层的主导晶向源自多晶金属基底的主朝向表面的指定结晶学织构。
[0008]外延锂金属层中主要体积分数的晶粒可表现出纤维织构并可具有基本平行于多晶金属基底的主朝向表面取向的{h、k、
ℓ
}晶格平面，其中h、k和
ℓ
各自独立地为0、1、2或3。
[0009]外延锂金属层中主要体积分数的晶粒可表现出<110>、<100>、<111>、<102>或<122>的纤维织构。
[0010]在方面中，多晶金属基底可由金属基材料制成，金属基材料的主要成分可以是铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、钛(Ti)、铝(Al)或镁(Mg)，且外延锂金属层可经由异质外延直接形成在多晶金属基底上。在这种情况下，多晶金属基底可表现出体心立方（bcc）晶体结构、面心立方（fcc）晶体结构、六方密排（hcp）晶体结构或体心四方（bct）晶体结构，且外延锂金属层可表现出体心立方（bcc）晶体结构。
[0011]在方面中，多晶金属基底可包括锂金属模板层，多晶金属基底的主朝向表面可由锂金属模板层限定，且外延锂金属层可经由同质外延直接形成在锂金属模板层上。
[0012]锂金属模板层可表现出体心立方（bcc）晶体结构，且外延锂金属层可表现出体心立方（bcc）晶体结构。
[0013]锂金属模板层可以是无孔的并可包含锂与铟(In)、锡(Sn)、镓(Ga)、锌(Zn)、铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、钙(Ca)或钠(Na)中至少一种合金元素的合金。在方面中，所述至少一种合金元素可在原子基础上构成锂金属模板层的小于1%。
[0014]外延锂金属层可在电化学电池的充电过程中通过电化学沉积过程直接形成在锂金属模板层上。
[0015]锂金属模板层可以在电化学电池的初次充电之前施加到负电极集流体的主表面上。
[0016]锂金属模板层可具有1
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m至100
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m的厚度。
[0017]正电极材料层可包括活性锂源。在这种情况下，锂金属模板层可在电化学电池的初次充电之前为电化学电池提供化学计量过剩的锂。
[0018]正电极材料层可包含被配置为与锂发生可逆的氧化还原反应的电化学活性材料。
[0019]公开了一种制造二次锂金属电池组的电化学电池的锂金属负电极的方法。在所公开的方法中，多晶金属基底的主朝向表面与含锂的电化学活性材料层呈间隔关系布置。在多晶金属基底的主朝向表面与电化学活性材料层之间建立离子传导通路。在多晶金属基底与电化学活性材料层之间建立电势使得从电化学活性材料层释放锂离子并将锂金属沉积在多晶金属基底的主朝向表面上以在其上形成外延锂金属层。多晶金属基底的主朝向表面表现出指定结晶学织构。外延锂金属层表现出主导晶向，且外延锂金属层的主导晶向源自多晶金属基底的主朝向表面的指定结晶学织构。
[0020]外延锂金属层中主要体积分数的晶粒可表现出纤维织构并可具有基本平行于多晶金属基底的主朝向表面取向的{h、k、
ℓ
}晶格平面，其中h、k和
ℓ
各自独立地为0、1、2或3。
[0021]外延锂金属层中主要体积分数的晶粒可表现出<110>、<100>、<111>、<102>或<122>的纤维织构。
[0022]在方面中，多晶金属基底可由金属基材料制成，金属基材料的主要成分可以是铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、钛(Ti)、铝(Al)或镁(Mg)，且外延锂金属层可经由异质外延直接形成在多晶金属基底上。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于二次锂金属电池组的电化学电池，所述电化学电池包括：正电极，其包括设置在正电极集流体的主表面上的正电极材料层，所述正电极材料层包含被配置为与锂发生可逆的氧化还原反应的电化学活性材料；负电极，其与所述正电极间隔开；和非水性电解质，其与所述正电极和所述负电极离子接触，其中所述负电极包括：具有主朝向表面的多晶金属基底，所述主朝向表面具有指定结晶学织构，和形成在所述多晶金属基底的所述主朝向表面上的外延锂金属层，其中所述外延锂金属层表现出主导晶向，和其中所述外延锂金属层的所述主导晶向源自所述多晶金属基底的所述主朝向表面的所述指定结晶学织构。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述外延锂金属层中主要体积分数的晶粒表现出纤维织构并具有基本平行于所述多晶金属基底的所述主朝向表面取向的{h、k、
ℓ
}晶格平面，其中h、k和
ℓ
各自独立地为0、1、2或3。3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述外延锂金属层中主要体积分数的晶粒表现出<110>、<100>、<111>、<102>或<122>的纤维织构。4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述多晶金属基底由金属基材料制成，所述金属基材料的主要成分是铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、钛(Ti)、铝(Al)或镁(Mg)，并且其中所述外延锂金属层经由异质外延直接形成在所述多晶金属基底上，其中所述多晶金属基底表现出体心立方（bcc）晶体结构、面心立方（fcc）晶体结构、六方密排（hcp）晶体结构或体心四方（bct）晶体结构，并且其中所述外延锂金属层表现出体心立方（bcc）晶体结构。5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述多晶金属基底包括锂金属模板层，其中所述多晶金属基底的所述主朝向表面由所述锂金属模板层限定，并且其中所述外延锂金属层经由同质外延直接形成在所述锂金属模板层上，其中所述锂金属模板层表现出体心立方（bcc）晶体结构，并且其中所述外延锂金属层表现出体心立方（bcc）晶体结构。6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中所述锂金属模板层是无孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：