具有夹层的电化学单电池的制造和使用方法技术

本专利提供了电化学单电池和/或电极叠层，包括设置在负极集电器和/或金属负极附近的夹层，所述夹层设置在负极集电器和固态电解质隔膜之间并与二者接触，或设置在金属负极和固态电解质隔膜之间并与二者接触。固态电解质隔膜之间并与二者接触。固态电解质隔膜之间并与二者接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有夹层的电化学单电池的制造和使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求如下美国临时专利申请的优先权：2018年10月2日，临时专利申请号为62/740,332，出于各种目的其全部内容通过引用合并在本申请中。


[0003]本专利涉及固态电化学单电池和包括所述固态电化学单电池的可再充电电池。

技术介绍

[0004]在可再充电的Li
+
离子电池中，在放电过程中Li
+
离子从负极移动到正极，在充电过程中Li
+
离子向相反的方向移动。此过程在连接电极的电路中产生电能(能量＝电压
×
电流)，所述电路与Li
+
离子传导路径电隔离且与之平行。电池电压(相对于Li的V)是位于正极的Li与位于负极的Li的化学势差的函数，当使用金属Li作为负极时，电池的电压会最大化。电解质将正极和负极物理隔离并使其绝缘，同时还为Li
+
离子提供传导介质。所述电解质可确保在放电(例如确保在放电(例如)过程中锂金属在负极上氧化并产生电子时，这些电子通过外部电路在电极之间传导，所述外部电路与Li
+
离子的路径不同。
[0005]当正极、电解质和负极由固体材料制成或主要由固体材料制成时，所得的可再充电电池称为固态可再充电电池。在具有固态电解质隔膜和锂金属负极的电池中，在镀覆(plating，即充电)和剥离(即放电)进出隔膜时候，隔膜
‑
锂金属之间需要具有足够的接触面以使锂金属局部流动。所述隔膜在单电池循环过程中反复膨胀和收缩会导致负极从所述固态隔膜上脱离。因此，在电化学单电池中，需要提供一种改进的方法，以保持锂金属阳极与固态隔膜之间的接触。

技术实现思路

[0006]一方面，本专利提出了一种电化学叠层，包括：负极集电器(NECC)、固态电解隔膜、以及所述NECC和固态电解质隔膜之间的夹层；其中，所述夹层含有选自由锌(Zn)、氧化锌(ZnO)、及其锂合金、其氧化物、氢氧化物、过氧化物及其组合组成的组中的至少一种。
[0007]第二方面，本专利提出了一种用于制造电化学叠层的方法，包括：提供固态电解质隔膜；在固态电解质隔膜的一侧上沉积夹层；提供负极集电器(NECC)，其中所述夹层在所述NECC与所述固态电解质隔膜之间；向所述固态电解质隔膜、夹层和NECC施加压力。
[0008]第三方面，本专利提出了一种加压的电化学单电池，包括：负极集电器(NECC)、固态电解质隔膜、所述负极和固体电解质隔膜之间的夹层、正极以及正极集电器；其中，所述夹层含有选自由锌(Zn)、氧化锌(ZnO)、及其锂合金、其氧化物、氢氧化物、过氧化物及其组合组成的组中的至少一种；以低于300磅/平方英寸(psi)的压力对电化学单电池加压。
[0009]第四方面，本专利提出了一种电化学装置，包括本专利所述的电化学单电池或电化学叠层。
[0010]第五方面，本专利提供了一种电化学叠层，包括：负极集电器(NECC)、固态电解质
隔膜、所述NECC和电解质隔膜之间的夹层；其中，所述夹层含有选自锌(Zn)、锡(Sn)、镁(Mg)、银(Ag)、铝(Al)、铟(In)、铋(Bi)、其锂合金、氧化物、氢氧化物、过氧化物及其组合组成的组中的至少一种。
[0011]第六方面，本专利提出了一种夹层，其含有氢氧化锂、氧化锂、过氧化锂、氢氧化锌、氧化锌、过氧化锌或其组合。
[0012]第七方面，本专利提出了一种用于制造电化学叠层的方法，包括：提供固态电解质隔膜；在固态隔膜的一侧上沉积夹层；提供负极集电器(NECC)；其中所述夹层在所述NECC与所述固态隔膜之间；向所述固态隔膜、夹层和NECC施加压力。
[0013]第八方面，本专利提出了一种电化学单电池，包括本专利公开的电化学叠层，向所述电化学单电池施加至少约10psi的压力。
[0014]第九方面，本专利提出了一种加压的电化学单电池，包括：负极集电器(NECC)、固态电解质隔膜、所述负极和所述固体电解质隔膜之间的夹层、正极、正极集电器，以低于300psi的压力对电化学单电池加压。其中所述夹层含有选自锌(Zn)、锡(Sn)、镁(Mg)、银(Ag)、铝(Al)、铟(In)、铋(Bi)、其锂合金、氧化物、氢氧化物、过氧化物及其组合组成的组中的至少一种。
附图说明
[0015]图1是测试用单电池(100)的示意图。从顶部到底部，顶层是锂金属(101)，下一层是包含LiZn合金的界面夹层(102)，再下一层是固态电解质(103，例如锂填充石榴石)，最后一层是蒸发锂形成的底部电极(104)。所述示意图没有按比例绘制。
[0016]图2示出了实施例1中所述的两个电化学单电池(对照组和单电池1)的测试电池电压相对于时间的曲线图。
[0017]图3示出了实施例1中所述的两个电化学单电池(对照组和单电池1)在没有外部压力、45℃、1mA/cm2电流密度下从顶部电极剥离的Li的量。
[0018]图4示出了实施例1中所述的两个电化学单电池(对照组和单电池1)的电压相对于时间的曲线图。
[0019]图5示出了实施例3中所述的在包括蒸发锌作为夹层的单电池中锂镀覆的电压相对于时间的曲线图。
[0020]图6示出了实施例4中所述的熔融锂与不同金属样品的接触角。
[0021]图7A
‑
7C示出了沉积在电解质隔膜上的夹层的组装和循环构型。
[0022]图8A
‑
8C示出了沉积在负极集电器上的夹层的组装和循环构型。
[0023]图9A
‑
9B示出了多个循环之后晶粒层的构型。
[0024]图10示出了如实施例5所述的包括锌夹层的电池的完整电池数据(归一化放电容量相对于累积循环指数)。所述电池是通过将锌夹层沉积在电解质隔膜上制成的。
[0025]图11示出了如实施例6所述的包括锌夹层的电池的完整电池数据(归一化放电容量相对于累积循环指数)。所述电池是通过在负极集电器上沉积锌夹层而制成的。
[0026]图12示出了如实施例7所述的包含铝夹层的电池的完整电池数据(归一化放电容量相对于累积循环指数)。所述电池是通过在电解质隔膜上沉积铝夹层而制成的。
[0027]图13示出了如实施例8所述的包括铝夹层的电池的完整电池数据(归一化放电容
量对累积循环指数)。所述电池是通过在负极集电器上沉积铝夹层而制成的。
[0028]图14示出了在固态隔膜上包含蒸发锡的完整电池的留存率。
[0029]图15示出了在固态隔膜上包括蒸发锌的电池的循环寿命中快速容量衰减的普遍性。
[0030]图16示出了在固态隔膜上包括蒸发铝的完整电池在200次循环和350次循环后的留存率。
[0031]图17示出了总阻抗对不对称结构的影响，所述不对称结构包括锂层、固态隔膜颗粒、铋夹层和锂层。
[0032]详细说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学叠层，包括：负极集电器(NECC)、固态电解质隔膜、以及所述NECC和电解质隔膜之间的夹层；其中，所述夹层包括选自锌(Zn)、锡(Sn)、镁(Mg)、银(Ag)、铝(Al)、铟(In)、铋(Bi)、其锂合金、氧化物、氢氧化物、过氧化物及其组合组成的组中的至少一种。2.根据权利要求1所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括选自锌(Zn)、锡(Sn)、镁(Mg)、银(Ag)、铝(Al)、铟(In)、铋(Bi)组成的组的至少一种。3.根据权利要求1所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括选自氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化镁(MgO)、氧化银(Ag2O)、氧化铝(Al2O3)、氧化铟(In2O3)和氧化铋(Bi2O3)组成的组的至少一种。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的电化学叠层，其中，所述电解质隔膜是薄膜或颗粒。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层还包括含氧化合物。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括锌。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括锡。8.根据权利要求1
‑
7中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括镁。9.根据权利要求1至8中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括银。10.根据权利要求1
‑
11中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括铝。11.根据权利要求1
‑
10中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括铟。12.根据权利要求1
‑
11中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括铋。13.根据权利要求1
‑
12中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层包括金。14.根据权利要求1
‑
13中任一项所述的电化学叠层，还包括在NECC和夹层之间并它们直接接触的Li金属负极，所述夹层在锂金属负极和电解质隔膜之间并与二者直接接触。15.根据权利要求1
‑
14中任一项所述的电化学叠层，其中，所述电解质隔膜包括锂填充的石榴石。16.根据权利要求15所述的电化学叠层，其中，所述锂填充石榴石包括Li
A
La
B
M
′
c
M
″
D
Zr
E
O
F
，其中4<A<8.5，1.5<B<4，0≤C≤2，0≤D≤2；0≤E≤2.5，10<F≤13，并且M
′
和M
″
分别独立地选自Al、Mo、W、Nb、Sb、Ca、Ba、Sr、Ce、Hf、Rb、Ga和Ta。17.根据权利要求15所述的电化学叠层，其中，所述锂填充的石榴石包括Li
J
La
K
Zr
L
O
M
·
yAl2O3，其中5≤J≤8、2≤K≤5、0≤L≤3、10≤M≤13和0≤y≤1。18.根据权利要求15所述的电化学叠层，其中，所述锂填充的石榴石包括Li
x
La3Zr
z
O
12
·
yAl2O3，其中5≤x≤8、0≤y≤1和0<z≤2.5。19.根据权利要求14
‑
19中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层和锂金属负极包括99.9％
‑
95％摩尔的锂和0.1％
‑
5％摩尔的锌。20.根据权利要求1
‑
19中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层还含有选自Al、Au、Ag、Bi、Cr、Ge、Sb、Si、Ti、其锂合金、氧化物、氢氧化物、过氧化物及其组合组成的组中的至少一种。21.根据权利要求1
‑
20中任一项所述的电化学叠层，其中，所述夹层的厚度为0.1μm至约0.5μm。22...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉里，
申请(专利权)人：昆腾斯科普电池公司，
类型：发明
国别省市：