CN100527523C - 锂氧电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空气锂电池(10)，其具有沿一中心线(12)结合在一起的相等的两半(11)。每一半均包括一衬底(13)、一碳基阴极(14)、一固体电解质(15)、一阳极(16)、一阳极集电器(17)、及端部密封件(19)。该固体电解质包括交错的离子导电玻璃(21)及离子导电聚合物(22)材料层。

Description

锂氧电池及其制造方法
相关申请案参照
本申请案是2004年2月20日提出申请且名称为“锂空气电池技术(LithiumAir Battery Technology)”的美国专利申请案第60/546,684号的部分接续申请案。
技术领域
本发明总体而言涉及电池，更具体而言涉及锂氧电池及其制造方法。
背景技术
电池已存在了许多年。近来，人们已开发出锂氧或锂空气电池作为电源。这些锂电池是利用一位于阴极与阳极之间的聚合物电解质。然而，使用此等聚合物电解质的电池在暴露至环境空气时会迅速劣化，此归因於如下事实：其未为锂阳极提供充分的水分阻障保护，因而使锂阳极与水分反应，从而迅速劣化。
作为聚合物电解质的一种替代物，锂空气电池亦已利用了玻璃电解质。尽管此等电解质会提供一水分阻障层，然而此等电解质所需玻璃材料的厚度却使玻璃电解质不能提供足够的导电性。玻璃的厚度亦使此等电解质太脆。
由此可见，仍需要一种锂空气电池用电解质，以克服与彼等先前技术电解质相关联的问题。相应地，本发明的主要目的就是提供此种电解质。
发明内容
在本发明的一较佳形式中，一种锂氧电池包括一阴极、一阳极、及一设置于该阴极与该阳极之间的固体电解质。该固体电解质具有至少一个离子导电玻璃层及至少一个离子导电聚合物层。
在本发明的另一较佳形式中，揭示一种用于一电池的固体电解质，其包括复数个离子导电聚合物层及复数个在相邻离子导电聚合物层对之间交错的离子导电玻璃层。
在本发明的又一较佳形式中，揭示一种制造锂氧电池的方法，其包括如下步骤：提供一导电性纤维基质，以一聚合物涂覆该纤维基质，在该纤维基质上对置于该聚合物涂层沉积一阴极层，在该基质的聚合物涂层上沉积交错的离子导电玻璃层及离子导电聚合物层以形成一固体电解质，在该固体电解质上沉积一阳极，然后安装一电接触该阳极的阳极端子。
附图说明
图1-5是一种锂空气电池制造工艺的一系列顺序性剖视图，该种锂空气电池以一较佳形式体现了本发明的原理。
具体实施方式
下文将参照图式，图式中显示一锂空气或锂氧电池10，其以一较佳形式体现了本发明的原理。电池10基本上是沿一中心线12结合在一起的相等的两半11。每一半11均包括一衬底13、一碳基阴极14、一固体电解质15、一阳极16、一阴极集电器17、一阴极端子18、一阳极端子31、及端部密封件19。在本文中，应将术语锂空气电池及锂氧电池理解为可通用。
衬底13包含一导电性纤维基质材料20，例如由压缩的无规碳纤维制成的导电性纤维基质材料，此将在下文中加以更详细阐述。衬底13的材料厚度约为3至4毫米。
固体电解质15由交错的玻璃21及聚合物22材料层构成。玻璃层21是一离子导电玻璃，例如LiPON(氮氧化磷锂，LixPOyNz)。聚合物层22是一离子导电聚合物或聚合物电解质，例如聚氧乙烯(PEO)，其包含一锂盐或类似物。聚合物层22的厚度约为5微米。
阳极16由一锂金属制成，厚度约为100微米。
为制成电池10，将纤维基质材料20与一由聚偏二氟乙烯(PVDF)及己二酸二丁酯(DBA)制成的溶剂固化膜24层压在一起。此会制成一尺寸稳定的衬底13，衬底13的一侧暴露出碳纤维，对置侧则暴露出薄膜材料，如图2所示。该薄膜材料亦会填充基质材料20内各纤维之间的大部分空间。然后，将可热封的聚合物条带或端部密封件19层压至并超出衬底13的周边边缘，由此围绕衬底形成一类似像框的物件，如图2所示。
接下来，在衬底13上浇注一阴极材料浆液来形成阴极14，该阴极材料浆液由碳、聚偏二氟乙烯(PVDF)及己二酸二丁酯(DBA)塑化剂的组合物制成。该浆液是浇注在衬底的暴露出溶剂固化膜24的一侧上，如图3所示。
然后，将固体电解质15对置于阴极14结合至衬底13。电解质15的形成是始于在衬底13的纤维基质外露侧上沉积一由聚合物电解质层22构成的第一涂层，例如一层含有锂盐或聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚氧乙烯(PEO)。为形成光滑表面，聚合物层22可为一厚约5微米的浇注层。
然后，将该已部分构成的单元浸于一系列乙醚、甲醇或类似浴液及锂盐中，以除去阴极及衬底上的DBA塑化剂。此会形成一多孔的阴极14，而由聚合物层22构成的第一涂层仍保持无孔状。
然后，在聚合物电解质层22上沉积一离子导电玻璃电解质层21，例如一LiPON玻璃层。玻璃层21可以传统方式溅镀至该聚合物层上。此外，然后，可沉积一系列交错的聚合物层22及玻璃层21，以形成一聚合物层及玻璃层叠层，如图4所示。这些层的数量及厚度取决于电池的用途及所需的运行参数。然而，尽管每一种材料的一个层即会起到电解质的作用，然而据信，通过使每一种材料具有至少两个层，将会使一个玻璃层中所形成的任何针孔不会对齐下一玻璃层中的针孔，由此使会降低性能的针孔不会完全贯穿整个电解质，从而限制针孔的破坏效应。
然后，在固体电解质15的顶层上气体沉积一约2微米厚的锂金属层27。然后，将一厚度约为100微米的更厚的锂金属箔层28层压至薄层27，如图5所示。应了解，该层压工艺的时间、温度及压力的选择应使锂箔28层压至薄锂金属层27，且亦应使衬底13内的孔不会封闭。据信，以约100摄氏度的温度及约0.5p.s.i的压力持续10至20分钟的时间周期即应完成此任务。该步骤会完成电池10的一半11的制造过程。
为制作完成电池10，将具有相同构造的两半11以阳极16对阳极16的方式沿中心线12相互抵靠放置，其中一负端子31沿一个周边边缘定位于其间，如图1所示。然后，以与上文针对锂箔28的层压所述的相同方式将这两半11相互层压。应注意，各可热封的聚合物条带25相互密封在一起，从而密封阳极16与固体电解质15的外露侧边缘。侧边缘的密封会限制水分经由侧边缘进入该单元。
然后，将一测定量的液体电解质涂覆至阴极14。该液体电解质可以是溶于1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)亚胺基(EMIMBMeI)中的1摩尔LiTFSI[双(三氟甲烷磺酰基)亚胺基锂]；溶于1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(五氟乙基磺酰基)亚胺基(EMIMBeTi)中的1摩尔LiTFSI[双(三氟甲烷磺酰基)亚胺基锂]；或者1:4摩尔比的LiTFSI[双(三氟甲烷磺酰基)亚胺基锂]与乙酰胺的混合物。该液体电解质会填充阴极内的更大的孔。
应了解，如果使用一非导电性基质来替代较佳实施例中的导电性基质，则电池单元会在衬底13与阴极14之间包含一附加集电器，例如一导电网。
上述发明会形成一具有一电解质系统的锂空气电池，该电解质系统会提供优异的锂阳极水分阻障保护。整个阻障层无针孔且不呈脆性。应了解，本文中所用术语“沉积”意欲囊括所有已知的层沉积方法，例如通过化学气化、热气化、溅镀、激光烧蚀或其他传统已知方法来沉积。亦应了解，尽管该较佳实施例是显示一由两半制成的电池，然而每一半均可视为一完整的电池。显然，此种构造需要对电池部件进行额外密封。
由此可见，锂空气电池现在配置有一固体电解质，该固体电解质将阻止水分通过但将容许离子有效通过。当然，应了解，除彼等在本文中具体叙述者外，亦可对本文所述的具体较佳实施例作出许多种修改，此并不背离在权利要求书中所述的本发明的精神及范畴。

Claims (27)

1、一种锂氧电池，其包括：
一阴极；
一阳极；及
一设置于所述阴极与所述阳极之间的固体电解质，所述固体电解质具有至少一个离子导电玻璃层及至少一个离子导电聚合物层。
2、如权利要求1所述的锂氧电池，其中所述阴极系多孔。
3、如权利要求2所述的锂氧电池，其中所述多孔阴极含有一液体电解质。
4、如权利要求1所述的锂氧电池，其中所述电解质包括两个夹有所述阳极层的单独的电解质层。
5、如权利要求4所述的锂氧电池，其中所述阴极包括两个阴极层，所述两个阴极层设置于所述两个电解质层的与所述阳极层对置的两侧上。
6、如权利要求1所述的锂氧电池，其中所述固体电解质包括复数个离子导电玻璃层及复数个离子导电聚合物层，所述玻璃层及所述聚合物层顺次交错。
7、如权利要求6所述的锂氧电池，其中所述玻璃层由氮氧化磷锂制成。
8、如权利要求7所述的锂氧电池，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
9、如权利要求6所述的锂氧电池，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
10、如权利要求1所述的锂氧电池，其中所述阴极包括一导电性纤维基质材料。
11、一种锂氧电池，其包括：
一阴极；
一阳极；及
一设置于所述阴极与所述阳极之间的固体电解质，所述固体电解质具有交错的离子导电玻璃层及离子导电聚合物层。
12、如权利要求11所述的锂氧电池，其中所述阴极系多孔。
13、如权利要求12所述的锂氧电池，其中所述多孔阴极含有一液体电解质。
14、如权利要求11所述的锂氧电池，其中所述电解质包括两个夹有所述阳极层的单独的电解质层。
15、如权利要求14所述的锂氧电池，其中所述阴极包括两个阴极层，所述两个阴极层设置于所述两个电解质层与所述阳极层对置的两侧上。
16、如权利要求11所述的锂氧电池，其中所述玻璃层由氮氧化磷锂制成。
17、如权利要求16所述的锂氧电池，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
18、如权利要求11所述的锂氧电池，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
19、如权利要求11所述的锂氧电池，其中所述阴极包括一导电性纤维基质材料。
20、一种用于一电池的固体电解质，其包括复数个离子导电聚合物层及复数个在相邻离子导电聚合物层对之间交错的离子导电玻璃层，其中每种类型的层包括至少两层。
21、如权利要求20所述的固体电解质，其中所述玻璃层由氮氧化磷锂制成。
22、如权利要求21所述的固体电解质，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
23、如权利要求20所述的固体电解质，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
24、一种制造一锂氧电池的方法，其包括如下步骤：
提供一导电性纤维基质；
以一离子导电聚合物或聚合物电解质涂覆所述纤维基质；
在所述纤维基质上对置于所述聚合物涂层沉积一阴极层；
在所述基质的所述聚合物涂层上沉积交错的离子导电玻璃层及离子导电聚合物层，以形成一固体电解质；
在所述固体电解质上沉积一阳极；及
安装一电接触所述阳极的阳极端子。
25、如权利要求24所述的方法，其中所述玻璃层由氮氧化磷锂制成。
26、如权利要求25所述的方法，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
27、如权利要求24所述的方法，其中所述聚合物层由聚氧乙烯制成。
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