具有金属锂阳极的电池和制造方法技术

本发明专利技术涉及能够储存电能的电化学电池，其阴极能够可逆地容纳锂离子并且其阳极包含金属锂作为活性材料，该电化学电池包含设置在阴极和阳极之间的分隔件，并且该电化学电池的特征在于，阳极包含具有开孔结构的多孔导电基质，并且阳极的金属锂嵌入基质的孔隙中。此外，本发明专利技术涉及这种电池的制造方法。本发明专利技术涉及这种电池的制造方法。本发明专利技术涉及这种电池的制造方法。

Battery with metal lithium anode and manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有金属锂阳极的电池和制造方法
[0001]下面描述的专利技术涉及具有金属锂阳极的电池和用于生产这种电池的方法。
[0002]具有金属锂阳极的电池最广为人知的例子是锂硫电池。与任何其他能够储存电能的电化学电池一样，其包含作为电极的阴极和阳极以及设置在阴极和阳极之间的分隔件，其中阴极含有硫作为活性材料，而阳极含有锂作为活性材料。
[0003]在锂硫电池放电期间，锂在阳极被氧化。在阴极，锂与硫结合，形成硫化锂，在完全放电的情形下例如根据下式形成硫化二锂Li2S：在充电过程中，形成的硫化锂再次分解。在此在阴极侧形成硫和在阳极侧形成锂，例如根据下式：然而，金属锂阳极也可以与能够以离子形式可逆地储存锂的阴极组合，例如与基于钴酸锂(LCO)、镍锰钴(NMC)或磷酸铁锂(LFP)的阴极组合。
[0004]迄今为止阻碍具有金属锂阳极的电池的市场化的问题之一归因于这样的阳极在完全放电时完全分解。因此，阳极的体积在放电时可以接近零。由此导致电池内的体积发生巨大变化，该体积变化在充电时以相反的方向重复。
[0005]当电池具有多个层状阳极和阴极以交替顺序堆叠的结构时，该问题尤其严重。在这种情况下，各自的体积变化加和起来。
[0006]DE 102014 201836 A1中描述了一种锂硫电池，其中该问题通过体积补偿元件来应对，该体积补偿元件据信补偿电池充电和放电时的体积变化。体积补偿元件设计为有弹性的，并且除电极外还安装在电池中。在电池内体积变化的情况下，体积补偿元件可以被压缩，或者在需要时可以膨胀。在此其对电极施加持续的压力。r/>[0007]这种解决方案的缺点是，安装的体积补偿元件从电化学的角度来看是无价值材料(Totmaterial)，并且对配备该体积补偿元件的电池的体积能量密度有负面影响。此外，在锂硫电池生产中的组装该体积补偿元件代表了一个额外的步骤，这在高度自动化生产中代表了另外的故障源。
[0008]本专利技术所基于的目的在于提供与现有技术相比改进的具有金属锂阳极的电池。
[0009]为了实现这一目的，本专利技术提出了具有权利要求1所述特征的能够储存电能的电化学电池以及具有权利要求9所述的步骤的方法。本专利技术的扩展方案是从属权利要求的主题。
[0010]根据本专利技术的电池的特征总是在于以下特征：a. 其包含能够可逆地容纳锂离子的阴极，和b. 其包含含有金属锂作为活性材料的阳极，和c. 其包含设置在阴极和阳极之间的分隔件，其中d. 所述阳极包含具有开孔结构的多孔导电基质，和e. 所述阳极的金属锂嵌入基质的孔隙中。
[0011]导电基质是本专利技术的核心特征。它确保至少在阳极侧，当电池充电和放电时上述的体积变化被最小化。
[0012]从锂至少主要、任选地甚至完全存在于电池孔隙中的充电状态出发，锂在放电期间在阳极中减少。然而，与现有技术中已知的电池不同，阳极在此过程中几乎不发生体积损失，因为体积主要由基质决定。在充电过程中，由于基质的导电性，锂可以在阳极中再次均匀析出。以这种方式可以避免不均匀的锂析出和与此相关的局部体积增加甚至枝晶形成。
[0013]根据本专利技术的电池的阴极可以是含有硫作为活性材料的阴极。根据本专利技术的电池也可以是锂硫电池。例如，阴极可以包含硫与用于提高导电性的添加剂的混合物，所述添加剂例如选自石墨、炭黑、CNT和石墨烯。或者，阴极还可以包含化学改性形式的硫，例如以多硫化物的形式。
[0014]在另外的实施方案中优选的是，阴极包含能够以离子形式可逆地嵌入锂的化合物作为活性材料。例如，阴极可以包含下列物质作为活性材料：钴酸锂(LCO)、层状氧化物如镍锰钴氧化物(NMC)、聚阴离子化合物如磷酸铁锂(LFP)或尖晶石化合物如锂锰尖晶石。
[0015]阳极包含金属形式的锂。任选地，阳极还可以包含至少一种其他材料，例如至少一种与锂合金化的金属。任选地，该至少一种其他材料也嵌入基质的孔隙中。
[0016]分隔件在空间上和电上将阴极和阳极彼此分隔。分隔件优选为多孔平面结构，特别是多孔膜或无纺布或毡或纺织织物。分隔件优选地由塑料制成，例如由聚烯烃、聚酰亚胺或由聚酯制成。
[0017]电池优选包含液体电解质，其由溶剂或溶剂混合物和含有锂离子的导电盐组成。作为导电盐可考虑例如：双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)或六氟磷酸锂(LiPF6)或四氟硼酸锂(LiBF4)。作为溶剂合适的是例如有机碳酸酯，特别是碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、1,2
‑
二甲氧基乙烷(DME)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯(DEC)和其混合物。
[0018]如果电池是锂硫电池，作为溶剂可以例如使用二氧戊环(DOL)和DME的混合物。此外，电解质可以包含钝化添加剂，例如硝酸锂(LiNO3)。
[0019]然而，替代分隔件/液体电解质组合，电池还可以具有聚合物电解质、离子液体或固体电解质。
[0020]聚合物电解质尤其可以是凝胶电解质，例如基于聚偏二氟乙烯
‑
聚六氟丙烯共聚物(PVDF
‑
HFP)。
[0021]离子液体(ionic liquids, ILs)是有机性质的盐，其特征在于其阳离子和阴离子的空间不对称性，这导致离子液体即使在室温下也处于液相。离子液体具有例如咪唑鎓、吡啶鎓或吡咯烷鎓离子作为阳离子和例如TFSI作为阴离子。
[0022]固体电解质优选为基于聚合物导电盐复合物的聚合物固体电解质，其以单相存在而不含任何液体组分。聚合物固体电解质可以具有聚丙烯酸（PAA）、聚乙二醇（PEG）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为聚合物基质。锂导电盐例如LiTFSI、LiPF6和LiBF4可以溶解形式存在于其中。
[0023]如果电池是锂硫电池，则分隔件可以具有保护层，该保护层保护阳极免受电解质和可能溶解在其中的硫化锂的影响。例如，该保护层可以在阴极侧施加到分隔件上。
[0024]根据本专利技术的电池优选地被外壳封装。外壳优选地设置成气密性的。例如，外壳可
以是由金属或塑料制成的坚固的、自稳定的外壳（硬壳）或由膜制成的外壳（袋包装）。
[0025]基质的开孔结构对本专利技术具有重要意义。众所周知，开孔结构被理解为具有大量孔隙的结构，这些孔隙通过通道或孔壁穿孔相互连接。因此，开孔结构通常具有大的内表面积。
[0026]优选的是，该电池的特征在于紧下面的附加特征a和b中的至少一个：a. 所述基质具有 40%至 95% 范围的孔隙率。
[0027]b. 所述基质中的孔隙的特征在于2至50μm范围的平均直径。
[0028]特别优选的是，紧上面的两个特征a和b彼此组合实现。
[0029]如今孔隙率（孔隙体积/基质总体积之比）和孔径分布的测定不再成为障碍。存在许多测量设备，其根据标准化方法进行相应的测定。上述值基于根据标准ISO 15901
‑
1和DIN 66133的测定。
[0030]在紧前面的特征a的可能扩展方案中基质优选具有50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.电化学电池，具有以下特征：a. 其包含能够可逆地容纳锂离子的阴极，和b. 其包含含有金属锂作为活性材料的阳极，和c. 其包含设置在阴极和阳极之间的分隔件，其中d. 所述阳极包含具有开孔结构的多孔导电基质，和e. 所述阳极的金属锂嵌入基质的孔隙中。2.根据权利要求1所述的电池，具有以下附加特征中的至少一个：a. 所述基质具有40%至95%范围的孔隙率；b. 所述基质中的孔隙的特征在于2至50μm范围的平均直径。3.根据权利要求1或2之一的电池，具有以下附加特征中的至少一个：a. 所述基质包含由有机化合物碳化形成的碳；b. 所述基质包含含量在50至100重量％范围的碳。4.根据权利要求3所述的电池，具有以下附加特征中的至少一个：a. 除了碳之外，所述基质还包含至少一种具有比碳更高或更低的电导率的填料；b. 所述填料是选自炭黑、CNT、石墨烯和金属颗粒中的至少一种成员。5.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有以下附加特征中的至少一个：a. 该电池包含用于与阳极电接触的电导体，b. 所述电导体是金属箔。6.根据权利要求5所述的电池，具有以下附加特征中的至少一个：a. 所述阳极的基质在所述电导体上形成层，b. 所述层具有5至100范围的平均厚度。7.根据前述权利要求中任一项所述的电池，具有以下附...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：瓦尔塔创新有限责任公司，
类型：发明
国别省市：