一种电极结构和制造该电极结构的方法技术

描述了一种用于碱金属离子电池的电极结构。该电极结构包括能够承载碱金属离子的固体电解质；与固体电解质相邻的电极以及与电极相邻的电极集流体，所述电极能够在其中电极具有第一碱金属离子含量的第一状态和其中电极具有高于第一碱金属含量的第二碱金属离子含量的第二状态之间转换。在第一状态下，该电极包括：第一电极层，该第一电极层包括与电解质相邻的能够与碱金属合金化的第一材料，该第一材料具有第一碱金属离子含量A1。在第二状态下，该电极包括：第一电极层，包括第一材料和碱金属的合金，该合金具有高于第一碱金属离子含量A1的第二碱金属离子含量A2，以及在第一电极层和电极集流体之间的第二电极层，第二电极层包括碱金属。括碱金属。括碱金属。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种电极结构和制造该电极结构的方法


[0001]本专利技术涉及碱金属离子电池的电极结构、包含该电极结构的电池以及制造这种电极结构的方法。

技术介绍

[0002]固体电池结构通常包括由固体电解质隔开的阳极层和阴极层。固体电解质包含碱金属离子，例如锂离子，并且在电池充电和放电时，碱金属离子经由固体电解质在阳极和阴极之间迁移。集流体可以用于阳极和阴极中的每一个，以收集电流并将其传导到电池内的适当点。集流体通常由诸如过渡金属的导电材料制成，并且通常以箔的形式提供，该箔放置在电极上并与电极电接触。
[0003]阳极可以由例如碱金属层组成。在这种情况下，在电池充电期间，来自电解质的碱金属离子增加碱金属阳极的体积。
[0004]然而，碱金属是难以处理的高活性材料。因此，制造含有碱金属的电极是困难的，并且既危险又昂贵。
[0005]希望生产一种避免与已知电池结构相关的一个或多个问题的电池。

技术实现思路

[0006]在此背景下，本专利技术涉及一种用于碱金属离子电池的电极结构，该电极结构包括：能够承载碱金属离子的固体电解质；与固体电解质相邻的电极以及与电极相邻的电极集流体，所述电极能够在其中电极具有第一碱金属离子含量的第一状态和其中电极具有高于第一碱金属含量的第二碱金属离子含量的第二状态之间转换。在第一状态下，电极包括第一电极层，第一电极层包括与电解质相邻的能够与碱金属合金化的第一材料，第一材料具有第一碱金属离子含量A1；并且在第二状态下，电极包括第一电极层和第二电极层，第一电极层包括第一材料和碱金属的合金，该合金具有高于第一碱金属离子含量A1的第二碱金属离子含量A2，第二电极层位于第一电极层和电极集流体之间，第二电极层包括碱金属。
[0007]在第一电极层和电极集流体层之间的边界处形成碱金属的电镀层是形成碱金属层的特别有利的方式。第一电极层充当控制碱金属层的形成速率的“缓冲器”。因为第一电极材料与碱金属合金化，为了到达边界，碱金属离子不仅需要扩散通过第一阳极层，而且需要与层中的材料合金化，这显著减慢了电镀过程的动力学，同时热力学稳定。电镀层的较慢生长速率提供了均匀的碱金属层，避免了枝晶生长，这导致均匀的电镀，提高了电极的效率和性能。
[0008]当形成第一电极材料的晶体结构，特别是晶系，可以认为由合金化机制导致的第一电极材料和第二电极材料之间的转换生效。这也可以表示为空间群或点群的变化。因此，第一电极材料和第二电极材料的区别在于它们具有不同的晶系、空间群或点群。
[0009]电极可以是阳极。所描述的电极结构特别适用于将被结合到电化学电池中的阳极结构。当电极是阳极时，第一状态可以对应于“放电”(或部分放电)状态，并且第二状态可以
对应于“充电”(或部分充电)状态。
[0010]第一电极材料优选选自：锡、锡锗、铋、银、铝、锌、锗或磷化锂。这种材料是安全、有效的，并且相对容易制造，例如使用物理气相沉积(PVD)技术。
[0011]第一电极层可以是PVD沉积层。PVD是用于产生电池结构，特别是用于产生分层结构的特别方便的方法。
[0012]电极集流体优选包括沉积在电极上的沉积层。这提供了电极集流体和电极之间的紧密接触，使得电极集流体层的效率和有效性最大化、损耗最小化，并且还允许电极集流体层提供特别有效的保护，防止碱金属通过电极表面的反应而损失。
[0013]电极集流体层可以抵抗与碱金属形成合金。以这种方式，碱金属将不会被带入集流体层，在那里它将不再有助于电池的容量，而是将保留在第一和第二阳极层中。这也防止碱金属通过电极集流体层损失。优选地，电极集流体层包括过渡金属，最优选地选自：铜、铂、镍、钼和钨。这些材料是易于生产的有效集流体层。
[0014]在第一状态下，电极可以包括位于第一电极层和电极集流体之间的第二电极层，第二电极层包括碱金属。第二层在第一状态下的厚度可以大于在第二状态下的厚度。在这种情况下，第二电极层(即碱金属层)的某些部分保持在第一状态。这可能是由于寄生损耗导致一定量的第二层始终剩余。替代地，这可能是因为第一状态是仅一部分碱金属含量已经从电极移除的状态(例如通过电极的充电或放电)，使得一些碱金属层残留。在这种情况下，如果需要，碱金属离子的进一步移除可以在未来的点发生，在这种情况下，碱金属层可以被去除。
[0015]在第一状态下，第一电极材料的碱金属含量A1可以小于1at％，优选为基本上0at％。换句话说，在第一状态下，第一电极层可以基本上不含处于第一状态的碱金属离子。这是有利的，因为它最大化了电极的容量，并因此最大化了电极结合到其中的电池的容量。
[0016]碱金属可以是例如锂和/或钠。锂和钠是特别优选的，因为它们很轻但反应性很高，因此提供了高能量密度电池。钠和锂也有利地嵌入。在一些情况下，锂可能是特别优选的，因为它具有特别高的能量密度。在其他情况下，钠可能是特别优选的，因为它是一种反应性较低，因此有害性较低的材料，更容易处理。
[0017]本专利技术还延伸到碱金属离子电池，其包括上述电极结构和邻近固体电解质的另一电极。在所述电极是阳极的情况下，所述另一电极可以是阴极。以这种方式，电极可以结合到可以用于为设备供电的电池中。
[0018]第一电极层可以具有由第一电极材料和/或第一电极层的厚度确定的第一碱金属离子存量I1。另一电极可以具有由另一电极材料和/或另一电极层的厚度确定的第二碱金属离子存量I2。可以选择I1和I2，使得I1≤0.5I2。这样，第一电极层的碱金属离子存量小于或等于另一电极的碱金属离子存量的一半。这意味着，当所有碱金属离子已经从所述另一电极转移到所述电极时，最多一半的碱金属离子存量被第一电极层占据，因此被合金化机制占据，并且最小一半的碱金属离子存量可以用于形成第二电极层，即碱金属层。确保至少一半的碱金属存量可以用于碱金属层提供了高电池容量，因为通过电镀碱金属比通过合金化机制可以获得更大的容量。
[0019]本专利技术进一步延伸到制造用于碱金属离子电池的电极结构的方法，该方法包括：提供包含碱金属离子的固体电解质层；在固体电解质层上沉积电极，该电极包括第一电极
层，第一电极层包括能够与碱金属合金化的第一电极材料；以及在电极上沉积电极集流体层。这提供了制造上述电极结构的方便且有效的方法。
[0020]该方法可以包括使用物理气相沉积方法沉积电极层和/或电极集流体层。PVD是用于产生电池结构，特别是用于产生分层结构的特别方便的方法。
[0021]该方法可以包括使电极结构处于基本上不含碱金属的状态。这有利地允许在不需要形成任何碱金属层或部件的情况下制造电极，否则碱金属层或部件将相对昂贵和危险。基本上不含碱金属的这种状态可以对应于例如放电状态，放电状态对于电极的制造来说可以是危险性较小的状态，并且可以允许在不需要额外放电步骤的情况下处理和销售电极。
[0022]本专利技术还包括一种用于碱金属离子电池的电极结构，该电极结构包括：能够承载碱金属离子的固体电解质；与固体电解质相邻的电极以及与电极相邻的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于碱金属离子电池的电极结构，所述电极结构包括：固体电解质，能够承载碱金属离子；电极，与所述固体电解质相邻，并且能够在第一状态和第二状态之间转换，在所述第一状态中，所述电极具有第一碱金属离子含量，在所述第二状态中，所述电极具有高于所述第一碱金属含量的第二碱金属离子含量；电极集流体，与所述电极相邻；其特征在于：在所述第一状态下，所述电极包括：第一电极层，所述第一电极层包括与所述电解质相邻的、能够与碱金属合金化的第一材料，所述第一材料具有第一碱金属离子含量A1；并且在所述第二状态下，所述电极包括：第一电极层，所述第一电极层包括所述第一材料和碱金属的合金，所述合金具有高于所述第一碱金属离子含量A1的第二碱金属离子含量A2，以及第二电极层，位于所述第一电极层和所述电极集流体之间，所述第二电极层包括碱金属。2.根据权利要求1所述的电极结构，其中，所述电极是阳极。3.根据权利要求1或2所述的电极结构，其中，所述第一电极材料选自由锡、锡
‑
锗、铋、银、铝、锌、锗或磷化锂构成的组。4.根据上述权利要求中任一项所述的电极结构，其中，所述第一电极层是PVD沉积层。5.根据上述权利要求中任一项所述的电极结构，其中，所述电极集流体包括沉积在所述电极上的沉积层。6.根据上述权利要求中任一项所述的电极结构，其中，所述电极集流体层抵抗与碱金属形成合金，并且优选地包括过渡金属，最优选地选自由铜、铂、镍、钼和钨构成的组。7.根据上述权利要求中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：戴森技术有限公司，
类型：发明
国别省市：