锂金属电池用的锂电极及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种锂金属电池用的锂电极以及制造该锂电极的方法，该锂电极采用具有三维（3D）多孔结构的固体快离子导体，其中锂金属或锂合金被填充到各个孔中并被分散。通过应用具有3D多孔结构的固体快离子导体，可使用固体快离子导体而非传统液体电解质来确保锂电极中的离子导电通路、进一步改善充电和放电过程中的电化反应性、并且增强寿命和高倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池用的锂电极及其制造方法
本专利技术涉及锂金属电池用的锂电极和制造该锂电极的方法。更具体地，本专利技术涉及一种使用具有三维（“3D”）多孔结构的固体快离子导体（high-ionicconductor）的锂金属电池用锂电极，以及制造该锂电极的方法。
技术介绍
由于固体电解质即使在室温下也具有的快离子导电性，许多研究已经集中于开发可以利用固体电解质而非液体电解质的锂金属电池。然而，当固体电解质被以粉末形式应用到电极中时，电极活性材料与固体电解质之间的界面电阻增加。因此，需要降低电极活性材料与用于电极例如锂离子电池正极（“阴极”）中的固体电解质之间的界面电阻。在降低电阻并改进性能的尝试中，已在电极活性材料的表面上形成氧化物类膜。然而，特别是在将锂金属用作负极（“阳极”）的锂金属电池的情况中，确保锂电极中的离子导电通路仍然是个问题。
技术实现思路
致力于解决上述与现有技术有关的问题而做出本专利技术，本专利技术提供锂金属电池用的锂电极和制造该锂电极的方法。具体而言，使用具有3D多孔结构的固体快离子导体结构而非传统的液体电解质来确保离子导电通路，且在各孔中填充并分散锂金属或锂合金。这样，锂金属电池的寿命增加并且锂的离子导电通路得到保障。在提及孔中的锂金属或锂合金时，本文所用的术语“填充”和类似词不仅指完全地填充孔，而且还指以任意程度部分地填充孔。一方面，本专利技术提供锂金属电池用的锂电极，该锂电极包含：具有3D多孔结构的固体快离子导体、填充在3D多孔结构的各个开孔中的锂金属或锂合金、以及结合到固体快离子导体的表面上的集电体。根据多个实施方式，可以将反应活性材料涂覆到固体快离子导体与锂金属之间的交界面上以改善界面反应。在一些实施方式中，反应活性材料可以选自铝（Al）、铟（In）金属、Al2O3、ZrO2、陶瓷材料及其组合。另一方面，本专利技术提供制造锂金属电池用的锂电极的方法，该方法包括：将固体快离子导体制造成3D多孔结构；将锂金属或锂合金填充到3D多孔结构的各个开孔中；并且将集电体结合到在各孔中填充有锂金属或锂合金的固体快离子导体的表面上。根据多个实施方式，固体快离子导体的平均孔径在约0.01~50μm的范围内，并且其孔隙度在约30~90%的范围内。根据多个实施方式，由一种或多种选自LiSICON（γ-Li3PO4衍生物）、硫代LiSICON（Li3.25Ge0.25P0.75S4衍生物）、NaSiCON（NaZr2P3O12衍生物）、钙钛矿（La2/3Li1/3TiO3衍生物）、石榴石（Li5La3M2O12衍生物，M=Ta、Nb）、LiPON、LiPOS、LiSON、和LiSIPON中的材料制造固体快离子导体。根据多个实施方式，通过使用任意合适的方法将固体快离子导体制造成3D多孔结构。例如，可通过使用胶晶模板法、碳模板法、冷冻铸造法、气凝胶合成法（aerogelsynthesismethod）、或流延法来形成3D多孔结构。根据多个实施方式，通过使用任意合适的方法将锂金属或锂合金填充到固体快离子导体的各个孔中。例如，通过使用将锂或锂合金中的锂熔融并以加压或减压的方式填充锂的熔融法、利用金属沉积（例如，化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD））的薄膜涂覆法、填充糊状锂粉末的粉末颗粒糊料填充法、和嵌入锂离子液体并将锂离子液体析出为金属的析出法，来将锂金属或锂合金填充到各孔中。根据多个实施方式，该方法还包括将反应活性材料涂覆到固体快离子导体与锂金属之间的交界面上，从而改善界面反应。合适的反应活性材料可以例如选自铝（Al）、铟（In）金属、Al2O3、ZrO2、陶瓷材料及其组合。下文讨论本专利技术的其它方面和优选实施方式。附图说明本专利技术的以上和其它特征将参考附图所图示的某些示例性实施方式予以详细描述，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本专利技术的限制，其中：图1是示出根据本专利技术的锂金属电池用的锂电极的图；且图2是示出根据本专利技术的锂金属电池用的锂电极的另一图。应该理解的是，附图没有必要成比例，而是呈现说明本专利技术基本原理的多种优选特征的略微简化的表现。在本文中公开的本专利技术的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、取向、位置和形状，将部分地由特定意向的应用和使用环境来确定。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本专利技术的相同或等同部件。具体实施方式在下文中，将参照附图详细地描述本专利技术的示例性实施方式，以使本领域的普通技术人员能够容易地实施本专利技术。尽管将结合示例性实施方式描述本专利技术，但应当理解，本说明书无意于将本专利技术局限于这些示例性实施方式。相反，本专利技术不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本专利技术的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。本文所用的术语仅仅是出于描述具体的实施方式的目的，并不意在限制本专利技术。本文所用的单数形式“一个/一种”、“该”意在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。还应当理解，在用于本说明书时，术语“包含”和/或“包括”是指所述特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件的存在，但并不排除一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件的存在或加入。本文所用的术语“和/或”包括一种或多种相关所列项的任意或所有组合。除非特别说明或从上下文清楚看出，本文所用的术语“约”应理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差内。“约”可以理解为在所述数值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都被术语“约”所修饰。本文中的范围应理解为该范围内所有数值的简略表达。例如，1～50的范围应理解为包括任何数字、数字的组合、或由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、或50组成的子范围、以及所有介于上述整数间的带小数的值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、和1.9。对于子范围，具体考虑从范围内的任意端点延伸的“嵌套子范围”。例如，1~50的示例性范围的嵌套子范围可以包括一个方向上的1~10、1~20、1~30和1~40，或在另一方向上的50~40、50~30、50~20和50~10。本专利技术提供一种新型的固体快离子导电的锂电极，尤其是阳极，其中固体快离子导体用于取代传统的液体电解质。具体而言，该固体快离子导体具有3D多孔结构，其中3D多孔固体快离子导体的孔中填充有锂或锂合金，从而提供具有增长的寿命的锂金属电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂金属电池用的锂电极，所述锂电极包含：固体快离子导体，具有3D多孔结构；锂金属或锂合金，填充在所述3D多孔结构的多个开孔中；以及集电体，结合到所述固体快离子导体的表面上。

【技术特征摘要】
2012.05.02 KR 10-2012-00463301.一种锂金属电池用的锂电极，所述锂电极包含：固体快离子导体，具有3D多孔结构；锂金属或锂合金，填充在所述3D多孔结构的多个开孔中；以及集电体，结合到所述固体快离子导体的表面上，其中所述锂电极还包含反应活性材料，所述反应活性材料涂覆在所述固体快离子导体与所述锂金属之间的交界面上以改善界面反应，其中所述3D多孔结构设计成不规则的无序多孔结构以使得填充在所述3D多孔结构的多个开孔中的锂金属或锂合金最大化。2.根据权利要求1所述的锂电极，其中，所述锂金属或锂合金被填充在所述3D多孔结构的各个开孔中。3.根据权利要求1所述的锂电极，其中，所述反应活性材料选自铝、铟金属、陶瓷材料及其组合。4.根据权利要求1所述的锂电极，其中，所述反应活性材料选自Al2O3、ZrO2及其组合。5.一种制造锂金属电池用的锂电极的方法，所述方法包括：将固体快离子导体制造为3D多孔结构；将锂金属或锂合金填充在所述3D多孔结构的多个开孔中；并且将集电体结合到所述固体快离子导体的表面上，其中所述方法还包括在所述固体快离子导体与所述锂金属之间的交界面上涂覆反应活性材料，以改善界面反应，其中所述3D多孔结构设计成不规则的无序多孔结构以使得填充在所述3...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳熙渊，李允智，禹熙晋，李俊基，李起春，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：