CN105280883B - 金属锂极板 - Google Patents

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Abstract

一种金属锂极板，其包括一金属锂层、多个闸层及一集电层，集电层具有多个开口，这些闸层设置于这些孔洞处，金属锂层与这些闸层对应设置。本发明所公开的金属锂极板在未进行氧化还原反应前，可利用闸层、集电层中至少的一以阻隔金属锂层，而金属锂极板在介质的加入后，其中的闸层会发生合金化反应，由于闸层的合金物质的结构较为松散，故可通过闸层的合金物质以使离子导通至金属锂层并使其能反馈离子锂，更同时维持闸层的电位，使其能保持在接近于金属锂层的电位。

Description

金属锂极板
技术领域
本发明涉及一种极板，特别是指一种具有闸层的金属锂极板。
背景技术
与现有的非锂系统的电池系统相比较，以锂为活性材料的电池系统具有工作电压高（3.6 V）、能量密度大（120 Wh/kg）、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，在以锂为活性材料的电池系统中，充电式金属锂电池是最早发展的锂电池系统，虽然具有很高的能量密度，但由于金属锂的化性很强、易与电解质反应，造成金属锂电池有不稳定和安全性不佳的问题。基于安全性的考虑，充电式锂电池的发展逐渐由充电式金属锂电池转成充电式锂合金电池与充电式离子锂电池两大系统，然而，因液态的充电式离子锂电池中采用含有有机溶剂的电解液，易挥发、燃烧，且又因为电池封装无法完全密封，因此有电解液漏液的可能，在安全性上也造成相当大的疑虑。近年来，主要针对上述锂电池的安全性考虑，多改以研发较为新型的充电式锂高分子电池的，其以高分子电解质取代原本有机溶剂以做为电池内的电解液，大大提高了锂电池在使用上的安全性。
不过，近年来却因为许多可携式的智能型电子产品不断地问世，每个时代的产品为了求新求变，在产品的性能表现上不断地提升，因此对于电池系统而言，除了过去对于安全性的高度要求外，为了使电子产品能具有更长的操作时间，电池系统的使用寿命又再次成为电池系统研发的重要议题，故许多电池系统的研究方向，由追求电池系统的安全性转向电池系统的寿命。而由过去以锂电池系统的发展进程来说，虽然金属锂电池系统在过去因为安全性的因素而被中断，但不可否认的是，由于金属锂电池系统的活性材料直接采用金属锂，故与其他离子锂电池系统或锂高分子电池系统相较，金属锂电池系统所提供的能量密度大于这些锂化合物的电池系统，但不容否认的是，金属锂为一种非常活泼的金属，若不在适当的储存环境或是良好的操作环境下，金属锂本身相当容易发生激烈的氧化还原反应。也因此，在实际的应用上，金属锂电池若能有效地克服其使用时的安全性问题并降低其在制作或储存时的困难，其实是非常符合现行可携式的智能型电子产品需求的。
有鉴于此，本发明遂针对上述现有技术的缺失，提出一种以金属锂为材料的极板，以有效克服上述的问题。
发明内容
本发明的目的在提供一种金属锂极板，其利用集电层、闸层中的至少之一以密封金属锂层，使金属锂可直接制作成类似于一般锂化合物所构成的极板结构，故仅需应用在现行的工艺技术即可制作出能量密度高于一般锂化合物的电池系统。
本发明的另一目的在提供一种金属锂极板，其中的闸层可在介质作用下与离子锂及/或金属锂层发生合金化反应，故可让闸层的结构逐渐转变为微粒化锂合金物质的型态并且使之整体体积膨胀（因为堆积不紧密产生大量孔隙），并提供离子锂与金属锂层进行电化学反应的路径。
本发明的又一目的在提供一种金属锂极板，其可将一般的正极极板直接组装于金属锂极板以构成一含有金属锂的供电单元。
为达上述之目的，本发明提供一种金属锂极板，所述的金属锂极板包括一金属锂层、多个闸层及一集电层，集电层具有多个孔洞，各孔洞具有至少一开口，这些闸层对应设置于这些孔洞，金属锂层系与这些闸层对应设置。本发明所公开之金属锂极板中的闸层可在介质作用下与离子锂及/或金属锂层发生合金化反应，故可让闸层的闸层的原结构逐渐转变为微粒化锂合金物质的型态并且使之整体体积膨胀（因为堆积不紧密产生大量孔隙），并提供离子锂与金属锂层进行电化学反应的路径。另外，本发明所公开的金属锂极板更可与一般的正极极板直接组装，以构成具有高能量密度的供电单元。
其中，该闸层覆盖该开口。
其中，该闸层覆盖该开口且填入该孔洞。
其中，该闸层填入该孔洞。
其中，该闸层不完全覆盖该集电层。
其中，该孔洞为贯通孔及/或盲孔。
其中，该金属锂层覆盖该开口。
其中，该金属锂层覆盖该开口且填入该孔洞。
其中，该金属锂层填入该孔洞。
其中，该金属锂层完全覆盖该集电层。
其中，该金属锂层与这些闸层相邻设置，且该闸层与该金属锂层接触或未接触。
其中，该金属锂层与这些闸层彼此远离设置。
其中，其还包括：
一离子导通层，其邻设于该金属锂层，且该离子导通层不与该金属锂层发生合金化反应。
其中，该离子导通层接触至少局部的该集电层及/或局部的该金属锂层及/或局部的该闸层。
其中，该离子导通层还具有电子导通性。
其中，该离子导通层的结构型态为多孔层状结构、网状结构、柱状结构或上述结构的组合。
其中，该离子导通层还包括陶瓷绝缘材料、高分子材料、液态电解质、胶态电解质、固态电解质、液态离子导电材料或上述材料的组合。
其中，陶瓷绝缘材料包含氧化金属、硫化金属、氮化金属、磷酸化金属或酸化金属。
其中，该导电材料包括金属材料、合金材料、导电碳材料或上述的组合，且导电碳材料包括碳黑、硬碳、纳米碳管、石墨、石墨烯或其他导电碳。
其中，该集电层的材料选自铜、镍、铁、锌、金、银、钛或不与锂发生合金化反应的材料。
其中，该闸层包含至少一可形成锂合金的材料，其包含金属材料及/或类金属材料，且该可形成锂合金的材料与一介质所提供的离子锂发生合金化反应，且该可形成锂合金的材料选自于铝、锡、硅、锂合金、锡合金硅合金或上述材料的组合。
其中，该介质选自于液态电解质、固态电解质、胶态电解质、液态离子或上述材料的组合。
其中，该闸层中的该可形成锂合金之材料为非合金态或合金态，且该可形成锂合金之材料的含量不小于0.1%。
其中，其还包含：
至少一绝缘区域，位于该集电层不与该金属锂层相邻的一侧的外表面，且该绝缘区域为电性绝缘层，或为经过表面处理的电性绝缘表面。
以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1A：本发明公开的金属锂极板的一种实施状态的结构示意图。
图1B：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图1C：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图1D：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图2A：图1A中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图2B：图1B中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图2C：图1C中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图2D：图1D中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图3A：本发明公开的金属锂极板的一种实施状态的结构示意图。
图3B：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图3C：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图3D：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图，其公开一种离子导通层的状态。
图4A：图3A中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图4B：图3B中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图4C：图3C中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图4D：图3D中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图5A：本发明公开的金属锂极板的一种实施状态的结构示意图。
图5B：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图5C：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图。
图5D：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图，其公开一种离子导通层的态样。
图6A：图5A中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图6B：图5B中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图6C：图5C中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图6D：图5D中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图7A：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图，其公开一种离子导通层的态样。
图7B：本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图，其公开另一种离子导通层的态样。
图7C：本发明公开之金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图，其公开又一种离子导通层的态样。
图8A：图7A中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图8B：图7B中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图8C：图7C中闸层经过合金化反应后的结构示意图。
图9A：本发明公开的电池芯的一种实施状态的结构示意图。
图9B：本发明公开的金属锂极板的一种封装状态的结构示意图。
附图标记说明
10A 金属锂极板/第二极板单元
10B 金属锂极板
10C 金属锂极板
12 金属锂层
14 集电层/第二集电层
142 闸层
16 离子导通层
162 空乏区
20 第一极板单元
22 活性材料层
24 第一集电层
26 隔离层
30 封装单元
A 绝缘区域
BC 电池芯
H 孔洞
O 开口。
具体实施方式
本发明的精神为提供一种金属锂极板，其可将含有金属锂的极板直接在正常环境下储存与操作，更能与一般的正极极板构成能量密度更高且同时兼顾安全性的供电单元。此金属锂极板包括一金属锂层、多个闸层及一集电层，集电层具有多个孔洞，各孔洞具有至少一开口，这些闸层设置于这些孔洞，金属锂层与这些闸层对应设置。其中，金属锂层与闸层可相邻设置，或是彼此远离设置，且在相邻设置的状态中，金属锂层与闸层可接触或不接触，而通过介质的加入可使闸层进行合金化反应，进而启动金属锂层的氧化还原反应。另外，还可轻易地与一般极板彼此组装以构成高能量密度的供电单元。
接着，依据上述本发明的精神，更详细说明如下，虽然下列提出不同的实施状态进行说明，但该些状态为主要实施例，并不因此局限本发明的保护范围。
首先，请同时参照图1A与图2A所示，其中，图1A为本发明公开的金属锂极板的一种实施状态的结构示意图，图2A则为图1A中闸层经过合金化反应后的状态。
如图所示，其显示本发明的金属锂极板10A的局部截面，最底部为金属锂层12，上方则为具有多个孔洞H的集电层14，在较远离金属锂层12的一端部，闸层142覆盖孔洞H的开口O且并未完全覆盖集电层14的表面，且在本实施例中，闸层142与金属锂层12之间并未有实质的接触。
因此，就以结构而言，当上述的金属锂极板10A应用在一供电单元（图未显示）中时，金属锂极板10A扮演负极极板的角色，而在供电单元内部的电化学系统尚未进行电化学反应之前，闸层142不会与离子锂及/或金属锂发生作用，故闸层142的结构仍相当稳定且完整，因此，在集电层14及/或闸层142的设置下，可使得金属锂层12获得良好的保护而不会直接与介质接触，在制作过程中，金属锂层12也可在较高温、高压的条件下进行操作。然而，当供电单元内的电化学反应开始进行后，即供电单元的正、负极之间存在有电压差的情况下，以进行充电的状态为例，介质所提供的离子锂与游离自正极极板的离子锂开始由正极极板往金属锂极板10A迁移，在到达金属锂极板10A后先与闸层142中可与离子锂及/或金属锂反应的材料开始进行合金化反应，故使得闸层142原始的晶格结构逐渐地崩解为晶格松散的合金物质，一旦当闸层142与离子锂所形成的合金物质到达一定量的时候，合金物质会随着介质（电解液）而填入至孔洞H内，最终通过合金物质中的孔隙以将介质导流至孔洞H内以形成离子锂的离子通道，并与金属锂层12接触，进而使得金属锂极板10A中的集电层14、闸层142的电位均接近于金属锂层12的电位，其结构如图2A所示。其中，所述的介质可例如为液态电解质、固态电解质、胶态电解质、液态离子（liquid ion）或上述材料的组合。
更详细来说，在供电单元的正、负两极之间尚未有电压差时，供电单元内的化学反应并未受到电能的驱动而进行，因此闸层142不与介质（含有离子锂）发生反应，而当供电单元开始进行充电时，以第一次充电为例，即供电单元进行化成（formation）时，由于此时的闸层142并未与金属锂层12接触，故闸层142中可与离子锂及/或金属锂反应的成分仅会与介质所提供的离子锂进行合金化反应，也就是在闸层142与介质接触的界面处开始形成合金物质，且随着反应时间的增长，几乎所有闸层142中可与离子锂及/或金属锂反应的成分均与离子锂反应，此时闸层142近乎完全崩解并形成合金物质，随着合金物质的量增多并逐渐填入至集电层14的孔洞H内，使介质得以通过合金物质而到达金属锂层12的表面并与其进行离子与电子的交换作用，换言之，在供电单元完成化成或多次的充电后，最初用以隔离金属锂层12与介质的闸层142因合金化反应而崩解后，而使得介质可利用崩解的闸层142（也就是合金物质）以填入至孔洞H内而与金属锂层12接触，使金属锂层12可参与供电单元内的电化学反应。由此可知，闸层142在电化学反应发生后会因为合金化反应，而由原始的结构崩解成微粒状的合金物质结构，且无法恢复为原始结构，因此，就功能而言，闸层142在供电单元完全未进行电化学反应之前主要利用其金属结构的特性起密封作用，使金属锂层12得以完全被密封而不与任何物质发生作用，不过，一旦经过电化学反应之后，闸层142逐渐崩解为合金物质，换言之，闸层142的金属结构最终将会消失，并以合金状态继续存在于供电单元内。
另外，所述的金属锂层12的另一主要作用在于使闸层142的电位可近似于金属锂层12的电位，即维持在接近于相对0伏特的状态，也就是可使闸层142维持在可形成金属锂的0伏特，如此方可使介质中的离子锂与闸层142进行合金化反应时所生成的合金物质结构更为细致且均匀。
另外，除上述的实施状态外，闸层142除覆盖在开口O上之外，还可进一步填入到孔洞H内，如图1B所示，且图1B中的闸层142在经过合金化反应后的结构示意图则如图2B所示；或是闸层142完全填入于孔洞H内，如图1C所示，且图1C中的闸层142在经过合金化反应后的结构示意图则如图2C所示。其中，这些状态虽以闸层142未与金属锂层12接触为例说明，不过实际上，闸层142也可为与金属锂层12接触的结构状态。并且，集电层14的孔洞H于此虽以贯通孔的形式表示，不过所述的孔洞H也可以是盲孔，如图1D所示，闸层142在经过合金化反应后的结构示意图则如图2D所示。又，在这些实施状态中的金属锂层12完全覆盖集电层14的一表面，不过当然也可以不完全覆盖集电层14的表面，举例来说，当集电层14的开口O为贯通孔的开口时，金属锂层12可与闸层142对应地覆盖、覆盖并填入或仅填入至开口O的另一端，也即，金属锂层12可局部或完全覆盖集电层14。
为避免锂离子在进入至集电层14之前便先沉积在其外表面上，也为了避免集电层14裸露的外表面在接近过充、放电的状态下发生电镀反应，而产生锂突触，如图1D与图2D所示，集电层14未相邻于金属锂层12的一侧的外表面上有多个绝缘区域A，此绝缘区域A不具导电性，其结构型态可如本状态所示的电性绝缘层，或为经过表面处理的电性绝缘表面，例如直接将集电层14裸露的外表面进行表面处理，以使其导电性质钝化。
另外，所述的集电层14的材料可选自铜、镍、铁、锌、金、银、钛或不与锂发生合金化反应的材料。闸层142可包括一种或多种材料，其包括金属材料及/或类金属材料，且在闸层142的多种材料中，除了可形成锂合金的材料外，还可包括不可形成锂合金的材料，而此两种材料均可以非合金态或合金态的形式存在，举例来说，非合金态的材料可通过图形化的溅镀、蒸镀或电镀来形成，但在闸层142的组成中，可形成锂合金的材料的含量不小于0.1%，其余成分均可为不与锂发生合金化反应的材料，其中，上述的可形成锂合金的材料可以是铝、锡、硅、铝合金、锡合金、硅合金、其他单一金属或合金材料或其他多种金属或合金材料，而不可形成锂合金的材料也可以是单一或多种材料的组合，例如铜、镍、铁、钛、锌、银、金或上述的组合。举例来说，当此闸层142是双合金时，可以是由一个可与锂离子/锂金属形成合金的锡金属，以及一不与锂发生合金化反应的镍金属所构成的镍-锡合金，其中锡含量不小于0.1%。
根据图1A至图1D及图2A至图2D所示的状态可知，这些状态均为公开金属锂层与闸层彼此远离设置的结构。以下图3A至图3D、图4A至图4D、图5A至图5D及图6A至图6D则公开金属锂层与闸层相邻设置的状态。
请参照图3A至图3D所示，其说明金属锂层与闸层相邻设置的状态，此金属锂极板10B包括一金属锂层12、多个闸层142及集电层14，集电层14具有多个孔洞H，如图3A所示，在相邻于金属锂层12的一端部，在孔洞H的开口O覆盖闸层142，而在图3B中，闸层142除覆盖在开口O上之外，更同时填入到孔洞H内，不过于此所述的开口O相邻于金属锂层12，再根据图3C所示，闸层142填入至孔洞H内但未覆盖集电层14的表面，且闸层142相邻于金属锂层12。图3A至图3C中的金属锂层12可局部或完全覆盖集电层14。另外，离子导通层16也可应用在此状态中，图3D为其中一种包括离子导通层16的结构示意图。而与图3A至图3D对应的图4A至图4D则分别为闸层142在经过合金化反应后形成合金物质的状态。其中，有关金属锂层12、集电层14、闸层142与绝缘区域（图未显示）的结构特征与材料特性已详述于上段落中，于此将不再赘述。
以上状态根据闸层位于集电层的孔洞及其开口的各种结构对应关系及金属锂层与闸层彼此不同的对应位置关系，也已公开在不同的金属锂层与闸层的位置关系中，具有各种不同位置型态的闸层状态，而在以下的图5A至图5C中则是以闸层为完全填入至孔洞且与邻设于金属锂层的状态为例，以说明金属锂层与集电层的孔洞及其开口的结构对应关系，当然这些状态也适合与其他状态的闸层搭配，也适合与其他不同设置关系的金属锂层与闸层搭配，也适合与离子导通层、绝缘区域合并实施。
首先在图5A中公开金属锂极板10C，其包括一金属锂层12、多个闸层142及集电层14，集电层14具有多个孔洞H，在孔洞H内填入有闸层142，金属锂层12覆盖于孔洞H的开口O上，并与闸层142相邻设置；图5B中的金属锂层12除了覆盖在开口O上之外，同时填入到孔洞H内，并与填入于孔洞H内的闸层142相邻；再根据图5C所示，金属锂层12填入至孔洞H内且与孔洞H内的闸层142相邻；其中，上述状态均以金属锂层12与门层142未接触的状态说明，但金属锂层12与门层142在相邻的状态中，可为彼此接触的。此外，图5D为其中一种包括离子导通层16的结构示意图。而图6A至图6D则对应地公开出图5A至图5D中闸层142在经过合金化反应后的结构示意图。
接续针对离子导通层提出更详细的解释。请参照图7A与图8A所示，其中,图7A为本发明公开的金属锂极板的另一种实施状态的结构示意图，图8A为图7A中闸层经过合金化反应后的状态。
在本状态中的金属锂极板10A除了包括一金属锂层12、集电层14与闸层142外，还包括离子导通层16。离子导通层16设置在金属锂层12与集电层14、闸层142之间，在实际的应用上，离子导通层16可与金属锂层12、集电层14与闸层142同时接触，或仅实质接触于金属锂层12与集电层14，且就离子导通层的结构型态而言，可为多孔层状结构、网状结构、柱状结构或上述结构的组合。在图7A中所公开的状态则以与金属锂层12及集电层14有实质接触为例来说明，本状态的金属锂极板10A的结构由下至上包括金属锂层12、离子导通层16、位于开口O端部的闸层142以及具有开口O的集电层14。而其中金属锂层12、集电层14与闸层142的特性也已说明于上述段落，于此详细说明离子导通层16的特征。
由于离子导通层16的最大功能是协助集电层、闸层与金属锂层间进行离子导通，但是其存在也必须不能降低集电层14与金属锂层12之间的导电性，因此设置在金属锂层12与集电层14、闸层142之间的离子导通层16最佳的状态为同时兼具有离子导通与电子导通的特性，其中离子导通特性，为离子导通层16本身材料、孔隙与电解质材料（其中电解质材料可为液态电解质、胶态电解质、固态电解质或液态离子等）或其上成分组合所形成，但是离子导通层16的电子导电能力并不需要一定是由离子导通层16自行完成，而也可以通过闸层142在合金化后通过闸层142体积增加，进而利用体积较膨胀的合金化物质以做为导电的材料，并在合金化物质通过离子导通层16的孔隙而使集电层14与金属锂层12进行电子导通，而在化学特性上，由于离子导通层16直接与金属锂层12接触，故离子导通层16在任何状态下均不与金属锂层12发生合金化反应，且在图7A中所示的离子导通层16与开口O另一端部的闸层142之间存在一空乏区162，此空乏区162在供电单元尚未进行电化学反应前为一个无填入物质的间隙，或更可以仅含有电解质材料的间隙（其中电解质材料可为液态电解质、胶态电解质、固态电解质或液态离子等），然，承上所述可知，当供电单元内的电化学反应开始进行后，由闸层142与离子锂所形成的合金物质将会逐渐填入至开口O内的空乏区162中，并进一步填入至离子导通层16内，也就是在电化学反应后，空乏区162与离子导通层16在填入合金物质后可通过合金物质与电解质，使金属锂层12、集电层14、闸层142之间可彼此离子导通与电子导通，其结构如图8A所示。据此可知，离子导通层16的电子导通性除了可藉由其本身材料特性以实现之外，更可利用闸层142在合金化后的合金物质填入至离子导通层16以实现离子导通层16的电子导通性。其中此状态的离子导通层16通常除了陶瓷绝缘材料、高分子材料、液态电解质、胶态电解质、固态电解质或液态离子之外，更可以包括导电材料或上述材料与离子导通层16本身的孔隙的各式组合，其中导电材料可例如为金属材料、合金材料、导电碳材料（例如：碳黑、硬碳、纳米碳管、石墨、石墨烯等），其中上述多种材料与离子导通层16本身的孔隙的组合，也更可以包括在原导电材料上方再进行电镀、蒸镀或溅镀一层薄膜金属或合金的模式，其中所述的陶瓷绝缘材料可包括氧化金属、硫化金属、氮化金属或酸化反应后的金属材料（例如：磷酸化金属）等。由于一般离子导通层16内具有相当多的孔隙，可提供做为离子导通的通道，同时这些通道也可以使扩张体积的合金化闸层142通过离子导通层16的孔隙进而连接集电层14与金属锂层12，故进而达到电子导通的效果。
除了上述的状态外，还可如图7B所示，此金属锂极板10A中的局部离子导通层16填入至集电层14的开口O的另一端部中，与闸层142位在相对应的位置并同时与金属锂层12和闸层142均有实质上的接触。而当供电单元内的电化学反应开始进行后，由闸层142与离子锂所形成的合金物质将会逐渐填入离子导通层16中，使闸层142所形成的合金物质与金属锂层12接触并提供电性导通的功能，如图8B所示。
在图7C中公开一种实施状态，金属锂极板10A中的离子导通层16在结构上呈现柱状，此状态的离子导通层16还可以不完全覆盖集电层14与金属锂层12，甚至更可以刻意避开集电层的开口O（开口区），亦即仅形成在非开口区的集电层14与金属锂层12之间，此状态的离子导通层16材料比较一般状态上特别，通常仅为导电材料，例如金属材料、合金材料、各式导电碳材、合金材料或是高分子材料与离子导通层16本身的空隙的组合，其中也还可以包括在原导体材料上方再进行电镀、蒸镀或溅镀一层薄膜金属或合金的模式以加强导电能力，由于柱状的离子导通层16内具有相当多的孔隙，可提供做为离子导通的通道，且离子导通层16的末端直接则与金属锂层12和集电层14接触，故可达到电子导通的效果。一旦当供电单元内的电化学反应开始进行后，由闸层142与离子锂所形成的合金物质将会逐渐填入柱状的离子导通层16中，使闸层142所形成的合金物质与金属锂层12接触，如图8C所示。
其中，离子导通层16中的电子导通能力可由离子导通层16中本身的导电材料，例如金属材料、合金材料、导电碳材料（例如：碳黑、硬碳、纳米碳管、石墨、石墨烯等）等材料提供，或可由闸层142在合金化反应后所形成的合金物质提供，或可由生成在集电层14与金属锂层12之间的锂突触提供，也可由上述所有的结构来提供。而离子导通层16为锂突触的状态的形成原因在于，在浸润于电解质的环境下，当金属锂极板10A的电位接近于0伏特时，集电层14的电位相当接近于金属锂层12的电位，因此锂离子容易在此一接口上发生沉积反应，换言之，集电层14与离子导通层16相邻的表面在电化学反应的过程中容易发生锂金属析出而形成锂突触，由于离子导通层16具有相当多的空隙，故当锂突触自集电层14朝向金属锂层12生长，当锂突触通过离子导通层16的空隙接触到金属锂层12后，即在集电层14与金属锂层12之间形成具有使集电层14与锂金属层12做电子导通的锂树枝状结晶（锂突触）结构成分的离子导通层16结构（其结构型态类图7C结构），与现有的供电单元相较，在一般的供电单元内若发生锂金属析出而产生锂突触（树枝状结晶），将会导致隔离层被刺穿而产生内部短路的问题，故有害于供电单元的效能，不过，由于本发明所公开的锂突触产生于集电层14在与金属锂层12相邻的表面上，因此生成的锂突触不但不会破坏电池内部结构，故不会造成内部短路的问题，更可因为锂突触的形成能增加集电层14与金属锂层12的电性连接表面积，进而降低电池内部的阻值。
请参照图9A所示，其为本发明公开的电池芯的一种实施状态的结构示意图，其中，以上述图7A所公开的金属锂极板10A为例说明。
在本实施状态中的电池芯BC包括两个第一极板单元20以及一个第二极板单元10A，其中，每个第一极板单元20各自包括一活性材料层22、一第一集电层24及一隔离层26，第一集电层24设置在活性材料层22的一侧，隔离层26则设置在活性材料层22的另一侧，换言之，活性材料层22夹设在第一集电层24与隔离层26之间；第二极板单元10A则夹设在两个第一极板单元20之间，且第二极板单元10A包括具有孔洞H的第二集电层14、位于孔洞H的开口O端部的闸层142、离子导通层16、金属锂层12、离子导通层16、具有孔洞H的第二集电层14以及位于孔洞H的开口O端部的闸层142，换言之，第二极板单元10A上下两侧的第二集电层14与第一极板单元20的隔离层26彼此相邻设置。
另外，图9B为本发明公开的金属锂极板的一种封装状态的结构示意图，为使上述的第二极板单元10A可单独存在于一般的环境中，还可在第二极板单元10A的周缘设置封装单元30，可以本实施状态为例，封装单元30可由阻水、阻气的材质所构成，且其型态可为框状或其他形状，举例来说，封装单元30可为单层的硅胶封框，或是多层的硅胶封框，于此虽以三层的硅胶封框为例说明，但仅为一种举例并非限制本发明的范围。不过，封装单元30并非第二极板单元10A的必要结构，举例来说，当第二极板单元10A不具有单独的封装单元时，其可在与第一极板单元20组装后再一并封装。
更详细来说，当第一极板单元20的隔离层26含吸有介质后（例如：电解液，但图未显示），通过适当的工艺方法（例如：热压合）以将第一极板单元20与第二极板单元10A彼此黏着，如此即完成电池芯BC的组装，因此，当电池芯BC开始进行充电时，介质会自第一极板单元20向第二极板单元10A流动，同时将大量的离子锂带往第二极板单元10A，首先由第二极板单元10A的第二集电层14的开口O进入并以与闸层142接触，使闸层142进行合金化反应，因此介质中大量的离子锂会快速地与闸层142进行合金化反应并形成含锂的合金物，使第二极板单元10A中的第二集电层14、闸层142及离子导通层16的电位均接近于金属锂层12的电位，也即使整体的第二极板单元10A的电位接近于相对0伏特的状态。
并且，当介质中的离子锂在反复多次的充、放电过程后，也就是由于多次的合金化与去合金化反应后，势必出现些许不可避免的耗损，例如有部分无法完全还原的闸层-锂合金游离在介质中、或部分形成锂突触而消耗掉的离子锂，此时仍可通过填充在孔洞H内的合金物质以做为金属锂层12桥梁并将金属锂层12的离子锂导回电池芯内部的化学系统中，以提供足量的离子锂至电池芯BC中，可有效地延长整体电池芯的寿命。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所述的特征及精神所做的均等变化或修饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (24)

1.一种金属锂极板，其特征在于：其包括：
一金属锂层；
多个闸层；以及
一集电层，其具有多个孔洞，各孔洞具有至少一开口，这些闸层设置于这些孔洞，该金属锂层与该闸层对应设置；
其中，在该金属锂极板未进行电化学反应之前，该集电层与该闸层对该金属锂层起密封作用，使该金属锂层不与任何物质发生作用；
其中，在该金属锂极板进行电化学反应时，该闸层与离子锂及/或金属锂产生合金化反应成为晶格松散的合金物质，填入孔洞内，以显露出该金属锂层。
2.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该闸层覆盖该开口。
3.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该闸层覆盖该开口且填入该孔洞。
4.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该闸层填入该孔洞。
5.权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该闸层不完全覆盖该集电层。
6.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该孔洞为贯通孔及/或盲孔。
7.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该金属锂层覆盖该开口。
8.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该金属锂层覆盖该开口且填入该孔洞。
9.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该金属锂层填入该孔洞。
10.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该金属锂层完全覆盖该集电层。
11.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该金属锂层与这些闸层相邻设置，且该闸层与该金属锂层接触或未接触。
12.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该金属锂层与这些闸层彼此远离设置。
13.如权利要求1所述的金属锂极板，其还包括：
一离子导通层，其邻设于该金属锂层，且该离子导通层不与该金属锂层发生合金化反应。
14.如权利要求13所述的金属锂极板，其特征在于：该离子导通层接触至少局部的该集电层及/或局部的该金属锂层及/或局部的该闸层。
15.如权利要求13所述的金属锂极板，其特征在于：该离子导通层还具有电子导通性。
16.如权利要求13所述的金属锂极板，其特征在于：该离子导通层的结构型态为多孔层状结构、网状结构、柱状结构或上述结构的组合。
17.如权利要求13所述的金属锂极板，其特征在于：该离子导通层还包括陶瓷绝缘材料、高分子材料、液态电解质、胶态电解质、固态电解质或上述材料的组合。
18.如权利要求17所述的金属锂极板，其特征在于：陶瓷绝缘材料包含氧化金属、硫化金属、氮化金属或酸化金属。
19.如权利要求17所述的金属锂极板，其特征在于：该导电材料包括金属材料、合金材料、导电碳材料或上述的组合，且导电碳材料包括碳黑、硬碳、纳米碳管、石墨或石墨烯。
20.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该集电层的材料选自不与锂发生合金化反应的材料。
21.如权利要求1所述的金属锂极板，其特征在于：该闸层包含至少一可形成锂合金的材料，其包含金属材料及/或类金属材料，且该可形成锂合金的材料与一介质所提供的离子锂发生合金化反应，且该可形成锂合金的材料选自于铝、锡、硅、锂合金、锡合金、硅合金或上述材料的组合。
22.如权利要求21所述的金属锂极板，其特征在于：该介质选自于液态电解质、固态电解质、胶态电解质或上述材料的组合。
23.如权利要求21所述的金属锂极板，其特征在于：该闸层中的该可形成锂合金之材料为非合金态或合金态，且该可形成锂合金之材料的含量不小于0.1％。
24.如权利要求1所述的金属锂极板，其还包含：
至少一绝缘区域，位于该集电层不与该金属锂层相邻的一侧的外表面，且该绝缘区域为电性绝缘层，或为经过表面处理的电性绝缘表面。
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