包括可再充电锂电池的含水和非水电化学电池中的电极保护制造技术

提出了包括可再充电锂电池的含水和非水电化学电池中的电化学电池电极保护。在一个实施例中，一种电化学电池包括含有锂的阳极和位于电池的阳极与电解质之间的多层结构。多层结构可以包括至少第一单离子传导材料层（例如锂化金属层）和位于阳极与单离子传导材料之间的至少第一聚合物层。电极例如包括：第一层，其包括活性电极物质；第二层，其包括活性电极物质；以及单离子传导层，其将所述第一层与所述第二层分离，并且基本上防止跨所述单离子传导层的在所述第一层与所述第二层之间的电子连通。本发明专利技术还可以提供如下电极稳定层，该电极稳定层位于电极内，即位于电极的一部分与另一部分之间，以控制电极材料在电池的充电和放电时的耗尽和重新镀覆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学电池中的电极保护，并且更加具体地涉及包括可再充电锂电池的含水和非水电化学电池中的电极保护。本专利技术还涉及用于在水和/或空气环境中使用的包括锂阳极的可再充电电化学电池。
技术介绍
近年来已经大量关注于开发具有含锂阳极的高能量密度的电池。例如与诸如添加碳的锂阳极之类的阳极相比，其中非电活性材料的存在增加了阳极的重量和体积并从而减少了电池的能量密度，并且与例如具有镍或者镉电极的其它电化学系统相比，锂金属由于它极轻的重量和高能量密度而作为电化学电池的阳极尤为引人关注。锂金属阳极或者主要包括锂金属的阳极提供了机会来构造电池，该电池与诸如锂离子、镍金属氢化物或者镍-镉电池之类的电池相比，重量更轻并且能量密度更高。这些特征对于为了重量轻而付费的便携电子设备如蜂窝电话和膝上型计算机的电池而言是高度希望的。遗憾的是，锂的反应性与相关循环寿命、枝晶形成、电解质兼容性、制作和安全问题有碍于锂电池的商业化。锂电池系统一般包括在放电期间被电化学锂化(Iithiate)的阴极。在这个过程中，锂金属被转换成锂离子并且通过电解质被输送到将它还原的电池阴极。在锂/硫电池中，锂离子在阴极形成多种锂硫化合物中之一。在充电时，该过程被反过来，并且在阳极处从电解质中的锂离子中镀覆锂金属。在每次放电循环中，相当数量(例如15%-30%)的可用Li可以电化学溶解于电解质中，并且在充电时可以在阳极重新镀覆几乎这个数量。典型地，与在每次放电期间去除的数量相比，在每次充电时在阳极重新镀覆略微更少的锂；小部分的金属Li阳极典型地在每次充电-放电循环期间被损耗成不可溶的电化学无活性物质。这个过程以诸多方式对阳极产生压力，并且可能造成过早耗尽Li并减少电池循环寿命。在这个循环期间 ，Li阳极表面可能变得粗糙化(这可能增加场驱动腐蚀的速率)，并且Li表面粗糙化可能与电流密度成比例地增加。与在循环时从阳极的总体Li损耗相关联的许多无活性反应产物也可能在日益粗糙化的Li表面上积累，并且可能干扰电荷向底层金属Li阳极的输送。在电池的其它部分中没有其它退化过程的情况下，仅每一循环的Li阳极损耗就可能最终造成电池无活性。因而希望最小化或者抑制Li损耗反应，最小化Li表面粗糙度/腐蚀速率，并且防止任何无活性腐蚀反应产物干扰电荷跨Li阳极表面的输送。尤其是在(商业上希望的)较高电流密度下，这些过程可能造成电池更快衰竭。由于多种原因而可能希望锂阳极与可再充电锂电池或者其它电化学电池的电解质分开，所述原因包括防止在再充电期间形成枝晶、锂与电解质反应和循环寿命。例如，锂阳极与电解质反应可能造成在阳极上形成电阻膜阻挡层，这可能增加电池的内部电阻并且降低电池在额定电压下能够供应的电流数量。已经提出用于在这样的器件中保护锂阳极的诸多不同解决方案，这些解决方案包括用由聚合物、陶瓷或者玻璃形成的界面层或者保护层涂覆锂阳极，这样的界面层或者保护层的重要特征在于传导锂离子。例如，Skotheim的美国专利第5，460, 905号和第5，462, 566号描述了一种在碱金属阳极与电解质之间插入的η掺杂共轭聚合物。Skotheim的美国专利第5，648，187号和Skotheim等人的美国专利第5，961，672号描述了一种在锂阳极与电解质之间插入的导电交联聚合物膜及其制造方法，其中交联聚合物膜能够传送锂离子。Bates的美国专利第5，314，765号描述了一种在阳极与电解质之间的锂离子传导陶瓷涂层的薄层。例如在Koksbang的美国专利第5，387，497号和第5，487，959号、De Jonghe等人的美 国专利第4，917，975号、Fauteux等人的美国专利第5，434，021号和Kawakami等人的美国专利第5，824，434号中描述了含锂阳极的界面膜的更多例子。在Visco等人的美国专利第6，02，094号中描述了一种用于锂-硫电池中的碱金属阳极如锂阳极的碱离子传导玻璃状或者非晶形材料的单个保护层以解决循环寿命短的问题。虽然尤其是在可再充电电池中已知用于保护锂阳极和其它碱金属阳极的多种技术和组成，但是这些保护涂层提出了特定的挑战。由于锂电池在每次充电/放电循环中通过从锂阳极去除锂并且重新镀覆锂来工作，所以锂离子必须能够穿过任何保护涂层。涂层也必须随着材料在阳极被去除和重新镀覆而能够经受形态变化。 可再充电(二次)锂电池提出了关于它们和含水电解质一起使用的特定挑战。水和氢离子与锂特别地起反应。打算成功实现长循环寿命的此类器件将需要对锂阳极的很好保护。尽管提出了用于形成锂阳极并且形成界面层和/或保护层的各种方法，但是尤其是对于为了在含水和/或空气环境中使用而设计的锂阳极而言仍然需要改进。
技术实现思路
提出了电化学电池中的电极保护，并且具体而言提出了包括可再充电锂电池的含水和非水电化学电池中的电极保护。在一个方面中提供了一系列电化学电池。在一个实施例中，电化学电池包括电极，该电极包括基础电极材料，该基础电极材料包括分别在电极放电和充电时耗尽和重新镀覆的活性电极物质。该电极包括:包括活性电极物质的第一层；包括活性电极物质的第二层；以及单离子传导层，其将第一层与第二层分离，并且基本上防止跨单离子传导层的在第一层与第二层之间的电子连通。第二层被定位为位于第一层和与电池一起使用的电解质之间。在另一实施例中，一种电化学电池包括:阳极，其包括含有锂的基础电极材料；单离子传导材料；聚合物层，其在基础电极材料与单离子传导材料之间；以及分离层，其在基础电极材料与聚合物层之间。这样的实施例可以包括与阳极电化学连通的水基电解质。在一些情况下，电化学电池可以在阳极上包括多层保护结构，该多层保护结构包括多个单离子传导材料层和多个聚合物层，各单离子传导材料层具有不大于10微米的厚度，聚合物层配置于单离子传导材料层之间。多层结构的离子传导材料中的至少一部分可以包含用辅助的输送抑制物质至少部分地填充的孔隙。在一些情况下，多个单离子传导材料层中的至少一个包括金属层。在其它情况下，多个单离子传导材料层中的每一个都包括金属层。分离层可以例如是等离子体处理层。在更多其它实施例中，上述电化学电池包括阳极，该阳极包括:包括锂的第一层；第一层上的嵌入的单离子传导的非电子传导层；以及嵌入层上的包括锂的第二层，其中第二层位于第一层与电解质之间。该电池还可以包括与第一层和第二层均电子连通的集电器。在一些情况下，第一 层和第二层限定具有至少一个边缘的分层结构，并且集电器跨第一层和第二层与阳极的边缘接触。在另一实施例中，一种电化学电池包括:阳极，其包括含有锂的基础电极材料；以及多层结构，其位于电池的阳极与电解质之间。该多层结构包括各自为单离子传导材料的至少两个第一层、各自为聚合物材料的至少两个第二层，其中至少两个第一层和至少两个第二层以相对于彼此的交替顺序来排列，以及其中多层结构的各层具有25微米的最大厚度。多层结构可以包括以相对于彼此的交替顺序来排列的各自为单离子传导材料的至少四个第一层和各自为聚合物材料的至少四个第二层。在其它实施例中，多层结构包括以相对于彼此的交替顺序来排列的各自为单离子传导材料的至少五个第一层和各自为聚合物材料的至少五个第二层。在更多其它实施例中，多层结构包括以相对于彼此的交替顺序来排列的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池，其包括：电极，其包括：第一电活性层，其包括活性电极物质；第二电活性层，其包括所述活性电极物质，其中所述第二电极活性层中的所述活性电极物质中的至少一些分别在所述电化学电池放电和充电时耗尽和重新镀覆；以及聚合物层，其将所述第一电活性层与所述第二电活性层分离，其中，所述聚合物层对于所述活性电极物质的离子是导通的，并且其中，所述第二电活性层被定位，以便位于所述第一电活性层和与所述电池一起使用的电解质之间。

【技术特征摘要】
2006.03.22 US 60/785,768;2006.04.06 US 11/400,7811.一种电化学电池，其包括: 电极，其包括: 第一电活性层，其包括活性电极物质； 第二电活性层，其包括所述活性电极物质，其中所述第二电极活性层中的所述活性电极物质中的至少一些分别在所述电化学电池放电和充电时耗尽和重新镀覆；以及 聚合物层，其将所述第一电活性层与所述第二电活性层分离，其中，所述聚合物层对于所述活性电极物质的离子是导通的，并且 其中，所述第二电活性层被定位，以便位于所述第一电活性层和与所述电池一起使用的电解质之间。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其还包括位于所述第一和第二电活性层之间的保护层，其中，所述保护层是单离子传导层。3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层基本上防止跨所述单离子传导层的在所述 第一和第二电活性层之间的电子连通。4.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层包括对于锂离子导通的玻璃。5.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层包括对于锂离子导通的陶瓷。6.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层包括锂氮化物。7.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层包括锂氧化物。8.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层包括至少一个电子传导部分。9.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层具有小于约500纳米的厚度。10.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层具有小于约50纳米的厚度。11.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述单离子传导层包括细孔并且所述细孔中的至少一部分填充有聚合物。12.根据权利要求11所述的电化学电池，其中，所述聚合物是将所述第一电活性层与所述第二电活性层分离的聚合物层的形式的，并且其中，所述聚合物层被定位为与所述单离子传导层相邻。13.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述电极包括多层保护结构，所述多层保护结构包括交替的单离子传导层和聚合物层。14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中，所述多层保护结构包括五个或更多个层。15.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层包括从聚丙烯酸烷基酯和聚乙二醇丙烯酸酯中选择的聚合物。16.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层对于锂离子是导通的。17.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层包括锂盐。18.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层包括LiSCN、LiCF3SO3和LiN(CF3SO2)2中的一个或更多个。19.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层的厚度不大于0.5微米。20.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层的厚度不大于0.1微米。21.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述聚合物层是将所述第一电活性层与所述第二电活性层分离的第一多层保护结构的一部分，并且其中，所述电化学电池包括第二多层保护结构，所述第二多层保护结构位于所述第二电活性层和与所述电池一起使用的电解质之间。22.根据权利要求21所述的电化学电池，其中，所述第一和第二多层保护结构中的每个包括聚合物层。23.根据权利要求21所述的电化学电池，其中，所述第一和第二多层保护结构中的每个具有小于5mm的厚度。24.根据权利要求21所述的电化学电池，其中，所述第一和第二多层保护结构中的每个具有小于Imm的厚度。25.根据权利要求21所述的电化学电池，其中，所述第一和第二多层保护结构中的每个包括交替的聚合物层和单离子传导层。26.根据权利要求21所述的电化学电池，其中，所述第一和第二多层保护结构中的每个包括对于锂离子导通的陶瓷。27.根据权利要 求1所述的电化学电池，其中，所述活性电极物质包括锂。28.根据权利要求1所述的电化学电池，...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·D·阿菲尼托，尤里·V·米哈利克，约尔丹·M·格罗诺夫，克里斯托弗·J·希恩，
申请(专利权)人：赛昂能源有限公司，
类型：发明
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