CN105612633B - 用于锂离子蓄电池的锂电极及其制造方法 - Google Patents

用于锂离子蓄电池的锂电极及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂电极。该锂电极包括：由锂或锂合金构成的第一锂层（22）、布置在第一锂层的第一侧上的导流体（21）和布置在第一锂层的与第一侧相对的第二侧上的锂离子传导的保护层（23）。在第一锂层（22）和保护层（23）之间布置有中间层（24），所述中间层完全覆盖第一锂层（22）的第二侧。不仅保护层（23）而且中间层（24）分别具有小于10‑10S/cm的电导率。锂电极可以用作锂离子蓄电池的阳极。为了制造该锂电极，将由锂或锂合金构成的第一锂层（22）施加到导流体（21）上，将具有小于10‑10S/cm的电导率的中间层（24）施加到第一锂层（22）上，使得中间层（24）完全覆盖第一锂层（22），以及将具有小于10‑10S/cm的电导率的锂离子传导的保护层（23）施加到中间层（24）上。

Description

用于锂离子蓄电池的锂电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种锂电极。本发明还涉及一种锂离子蓄电池，该锂离子蓄电池包括根据本发明的锂电极作为阳极。最后，本发明涉及一种用于制造锂电极的方法。
背景技术
已知所谓的“摇椅”型蓄电池，其中作为阳极材料使用碳材料、例如石墨，该碳材料在执行充电时能够胜任将锂离子换入（装入）到其通过碳原子以六元环形式构成的晶格平面的装入位置处。作为有效的阴极材料典型地使用锂装入材料或换入材料、如LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，所述材料在充电期间能够胜任将锂离子从其装入位置的换出（转移），使得锂离子在充电/放电周期期间在装入电极之间往复迁移。
在不同类型的锂电池、特别是所谓的后锂离子电池、诸如锂硫或锂氧电池中，金属的锂阳极被用作阳极。在该锂阳极的情况下出现不均匀的锂沉积的问题，使得在锂金属的重复的溶解和沉积过程之后整个锂阳极的多孔性以及体积不断增加。这增大内部表面，在该表面上发生与电解质的寄生副反应。
为了防止该效应，锂阳极通常利用锂离子传导的保护层（例如聚合物离子导体、固体离子导体）来覆盖，该保护层防止锂和电解质之间的接触。基于由于锂的溶解和重新沉积所致的在锂阳极中的体积移动，保护层也必须不断地与锂表面一同移动。由实验研究已知，目前已知的离子传导的材料中没有材料作为保护层在大量的充电/放电周期之后经受住该体积移动。更确切地说，形成断裂和裂纹，这决定性地影响保护层的功能。只要该问题依然存在，很好地离子传导的保护层就不能为锂阳极提供持久的保护以免电解质。
发明内容
根据本发明的锂电极包括第一锂层、布置在第一锂层的第一侧上的导流体和布置在第一锂层的与第一侧相对的第二侧上的锂离子传导的保护层。在第一锂层和保护层之间布置有中间层，该中间层完全覆盖第一锂层的第二侧。不仅保护层而且中间层分别具有小于10-10S/cm的电导率，即其是不导电体。中间层用作锂层的表面上的稳定化的支撑基质。该基质所具有的任务是，机械地支撑施加在锂上的保护层，使得由于第一锂层的体积移动而没有应力传输到脆的保护层上。对此优选的是，中间层不是由连续的固体材料构成，而是具有气孔和/或开口。特别优选地，中间层的至少10体积百分比由气孔和/或开口构成。此外，特别优选的是，中间层在第一锂层和保护层之间具有连续的开口。所述开口可以利用锂来填充，以便制造第一锂层和保护层之间的足够的接触。对此，相当特别优选的是，连续的开口具有10μm至1000μm的范围内的直径。
优选的是，中间层由锂离子传导的材料构成。如果中间层没有连续的开口，则必需的是，中间层由锂离子传导的材料构成，以便能够实现锂离子在第一锂层和保护层之间的传输。即使存在连续的开口，有利的是，中间层由锂离子传导的材料构成，以便进一步使锂传输容易。
中间层优选地由选自以下组的材料构成，该组由以下各项组成：聚合物、陶瓷和其混合物。优选的聚合物是三维交联的聚合物、即热固性塑料，特别是交联的聚丙烯酸酯和交联的环氧树脂。其它优选的聚合物是热塑性聚合物。在这方面，聚烯烃是优选的，其中聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯是特别优选的。此外，聚碳酸酯、聚氧化乙烯和聚酯、如特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是优选的。这样的聚合物能够实现中间层的很灵活的成型，例如具有所定义的结构化的开口。中间层的类似织物的结构也可以通过以下方式实现，即例如首先进行二维聚合，随后进行机械拉伸并且最后通过交联进行三维缩聚。此外，这样的聚合物具有小的重量，这具有以下优点，锂电极布置在其中的电化学电池单元的比能量不受中间层影响。最后，这样的聚合物是良好电绝缘的。
优选的陶瓷是金属氧化物、特别是氧化铝。此外，锂离子传导的陶瓷、如特别是LiPON和锂镧锆氧化物是优选的。这样的陶瓷是机械很稳定的并且通过压力能够少地变形。这样的陶瓷可以通过烧结多孔地制造，使得实现用于引入锂的开口。最后，这样的陶瓷是良好的电绝缘体并且通常化学上很稳定，使得其在电化学电池单元中表现为惰性的。
聚合物和陶瓷的混合物可以以任意比例作为中间层使用。由此可以组合聚合物和陶瓷的优点。
中间层优选地具有0.1μm至100μm的范围内的厚度、特别优选地1μm至20μm的范围内的厚度。
保护层特别是由相对锂化学稳定的材料构成。
根据本发明的锂离子蓄电池包括根据本发明的锂电极作为阳极。锂离子蓄电池特别是包含液态电解质，根据本发明的锂电极的保护层对于该电解质是不可透过的。
在根据本发明的用于制造锂电极、特别是根据本发明的锂电极的方法中，第一锂层被施加到导流体上。具有小于10-10S/cm的电导率的中间层被施加到第一锂层上，使得中间层完全覆盖第一锂层。对此，中间层也可以凸出于第一锂层的边缘。具有小于10-10S/cm的电导率的锂离子传导的保护层被施加到中间层上。
为了在第一锂层和保护层之间建立锂离子传导的连接，优选的是，中间层在第一锂层和保护层之间具有连续的开口。中间层于是优选地被压入到第一锂层中，使得连续的开口利用锂来填充。
优选的是，在将中间层施加到第一锂层上之后并且在施加保护层之前将第二锂层施加到中间层上。这特别是可以通过蒸镀锂来实现。由此平整中间层的表面。由此，第一锂层仅仅必须满足其表面粗糙度的小的要求，使得例如锂膜可以用作第一锂层。在施加保护层之后，可以电化学地去除第二锂层。对此，锂电极作为阳极与隔板、电解质和相对电极电化学地接触。如果锂电极应该被用在锂离子蓄电池中，则相对电极可以是这样的阴极，该阴极也应该被用在锂离子蓄电池的之后的运行中。但是，也可以使用其它相对电极仅仅为了电化学地去除第二锂层并且此后又被去除。接着，锂一直从锂电极的第二锂层中被放出，直至在保护层和中间层之间形成形状配合的连接。于是中间层可以用作保护层之下的支撑结构，以便在锂电极所布置的电化学电池单元中的体积移动的情况下吸收所有机械应力，使得所述机械应力不能导致保护层的损坏。因为不仅保护层而且中间层根据本发明是绝缘的，所以锂离子不能再在这两层之间沉积，使得这两层的直接连接始终保持存在。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在随后的说明书中详细解释。
图1示出根据现有技术的锂离子蓄电池的横截面图。
图2示出根据现有技术的锂离子蓄电池的阳极的横截面图。
图3a示出根据本发明的一种实施方式的锂电极的第一制造步骤。
图3b示出根据本发明的一种实施方式的锂电极的第二制造步骤。
图3c示出根据本发明的一种实施方式的锂电极的第三制造步骤。
图3d示出根据本发明的一种实施方式的锂电极的第四制造步骤。
图3e示出根据本发明的一种实施方式的完成的锂电极的横截面图。
图4a示出根据本发明的另一种实施方式的锂电极的第一制造步骤。
图4b示出根据本发明的另一种实施方式的锂电极的第二制造步骤。
图4c示出根据本发明的另一种实施方式的锂电极的第三制造步骤。
图4d示出根据本发明的另一种实施方式的锂电极的第四制造步骤。
图4e示出根据本发明的另一种实施方式的完成的锂电极的横截面图。
具体实施方式
在图1中示出常规锂离子蓄电池10的示意性横截面图。阳极20包括活性的阳极材料和阳极导电体。阴极30包括活性的阴极材料和阴极导电体。隔板40通过以下方式防止在电极20、30之间出现内部短路，即隔板将两个电极20、30彼此相间隔并且彼此电绝缘。在两个电极20、30之间布置有液态的电解质50。该电解质典型地包括溶剂和含锂的盐。两个电极20、30、隔板40和电解质50共同地被布置在壳体60中。阳极20的引线和阴极30的引线分别穿透壳体60并且因此能够实现阳极20和阴极30的电接触。图2是根据图1的锂离子蓄电池的阳极的细节图。该阳极由阳极导电体21、锂层22和保护层23构成。保护层23由电绝缘的并且锂离子传导的材料构成。保护层23防止锂层22和电解质50之间的接触。在锂离子蓄电池10的运行中，保护层23由于锂在锂层22处的溶解和重新沉积而必须不断地与锂层22的表面一同移动。由此在保护层23中出现断裂和裂纹。
在图3a至3e中示出怎样能够制造根据本发明的第一实施方式的锂电极。首先提供由铜制成的电极导电体21，在其表面上提供锂膜作为第一锂层22。同样提供具有10μm厚度d的由LiPON制成的烧结的薄板。该薄板有气孔地、但是没有连续开口地烧结。该薄板被机械地压入到第一锂层22中并且因此被施加在第一锂层的表面上作为中间层24。因为该薄板不具有连续的开口，所以在此没有形成经过中间层24的连续的锂连接。通过中间层24的锂离子传输的可能性更确切地说通过材料LiPON的锂离子传导能力来保证。为了平整中间层24的表面，该中间层以第二锂层25来蒸镀，第二锂层的厚度小于中间层24的厚度d。将由例如离子传导的锂镧锆氧化物制成的保护层23沉积到第二锂层25上。接着，锂电极作为阳极20被布置在根据图1的锂离子蓄电池10中。在那里一直从锂电极的第二锂层25中去除锂，直至在保护层23和中间层24之间建立形状配合的连接。
在图4a至4e中示出根据第二实施方式的锂电极的制造。首先如在根据本发明的锂电极的第一实施方式中那样提供铜的电极导电体21，该电极导电体在其表面上具有10μm厚的锂膜22。此外提供由交联的聚丙烯酸酯制成的类似织物的面形成物。该面形成物在其类似织物的结构中具有连续的开口241。接着，织物状的面形成物机械地被压入到第一锂层22中，使得织物状的面形成物的上沿与锂膜22的上沿位于相同的高度上。在此，锂242从第一锂层22挤入到连续的开口241中并且因此在第一锂层22和中间层24的背向第一锂层22的侧之间建立连续的锂通道。如在根据本发明的锂电极的第一实施方式中那样，现在中间层24的表面以第二锂层25来蒸镀并且保护层23被沉积在第二锂层25上。接着，该锂电极也可以被布置在根据图1的锂离子蓄电池中来作为阳极20并且一直从第二锂层25中分离锂，直至在保护层23和中间层24之间建立形状配合的连接。锂离子通过中间层24的传输在本发明的该实施方式中不基于中间层24的材料的锂离子传导能力、而是更确切地说通过中间层24的开口241中的锂通道242来实现。
具有根据本发明的上述实施方式之一的锂电极作为阳极20的锂离子蓄电池10在其用作一次或二次锂电池的情况下比具有根据图2的常规锂阳极作为阳极20的锂离子蓄电池10具有更长的寿命。这与作为阴极30是否使用传统的或新型的阴极无关地适用。这样的锂离子蓄电池10例如可以用在电动工具、园艺设备、计算机、笔记本电脑、PDA和移动电话、混动车辆和插入式混动车辆以及电动车辆中。由于在汽车应用中对蓄电池的寿命的特别高的要求，该蓄电池以特别的规模适用于混动车辆、插入式混动车辆以及电动车辆。

Claims (10)

1.锂电极，包括：
由锂或锂合金构成的第一锂层（22）、布置在第一锂层的第一侧上的电流导体（21），
布置在第一锂层的与第一侧相对的第二侧上的锂离子传导的保护层（23），和
布置在第一锂层（22）和保护层（23）之间的中间层（24），所述中间层完全覆盖第一锂层（22）的第二侧，其中不仅保护层（23）而且中间层（24）分别具有小于10-10S/cm的电导率，并且其中中间层（24）在第一锂层（22）和保护层（23）之间具有连续的开口（241），所述开口利用锂（242）来填充。
2.根据权利要求1所述的锂电极，其特征在于，中间层（24）具有气孔。
3.根据权利要求1或2所述的锂电极，其特征在于，中间层（24）的至少10体积百分比由开口构成。
4.根据权利要求1或2所述的锂电极，其特征在于，连续的开口（241）具有10μm至1000μm的范围内的直径。
5.根据权利要求1或2所述的锂电极，其特征在于，中间层（24）由锂离子传导的材料构成。
6.根据权利要求1或2所述的锂电极，其特征在于，中间层（24）由选自以下组的材料构成，该组由以下各项组成：聚合物、陶瓷和其混合物。
7.根据权利要求1或2所述的锂电极，其特征在于，中间层（24）具有0.1μm至100μm的范围内的厚度d。
8.锂离子蓄电池（10），包括根据权利要求1至7之一的锂电极作为阳极（20）。
9.用于制造锂电极的方法，包括：
－将由锂或锂合金构成的第一锂层（22）施加到电流导体（21）上，
－将具有小于10-10S/cm的电导率的中间层（24）施加到第一锂层（22）上，使得中间层（24）完全覆盖第一锂层（22），以及
－将具有小于10-10S/cm的电导率的锂离子传导的保护层（23）施加到中间层（24）上，
其中中间层（24）在第一锂层（22）和保护层（23）之间具有连续的开口（241），并且中间层（24）被压入到第一锂层（22）中，使得连续的开口（241）利用锂（242）来填充。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在中间层被施加到第一锂层（22）上之后并且在施加保护层（24）之前将第二锂层（25）施加到中间层（24）上，所述第二锂层由锂构成，并且在施加保护层（24）之后电化学地去除第二锂层（25）。
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