CN114008814A - 用于提高的能量密度和降低的充电时间的复合材料锂金属阳极 - Google Patents

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Abstract

示例实施例涉及一种用于提高的能量密度和降低的充电时间的复合材料锂金属阳极。一个实施例包括电极。电极包括保护层。电极也包括集电层。此外，电极包括被设置在保护层与集电层之间的活性层。活性层包括石墨层。活性层也包括硬碳层。此外，活性层包括锂金属层。

Description

用于提高的能量密度和降低的充电时间的复合材料锂金属 阳极
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月21日提交的美国临时专利申请No.62/865,015的优先权，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
背景技术
例如，当各种设备没有被连接到外部电源时，电池能够被用于向这些设备临时地提供电功率。出于各种原因，电池(并且尤其是可再充电电池)在许多技术领域变得越来越普遍。锂离子电池是可再充电电池的示例。
为了提高使用可再充电电池的应用中的性能，可以期望使这种电池小型化、减少这种电池的充电时间和/或提高这种电池的容量。
发明内容
说明书和附图公开了涉及用于提高能量密度和减少充电时间的复合材料锂金属阳极的实施例。复合材料阳极可以包括石墨层、硬碳层以及锂金属层，每层可以具有各种厚度。各种材料层的复合材料可以产生阳极，该阳极表现出与每种组成材料相关联的各种品质的混合。例如，复合材料阳极由于石墨层而具有在荷电态下可观地提高的存储，由于硬碳层而具有可观地减少的充电时间，并且由于锂金属层而具有可观地提高的总储存容量。复合材料阳极还可以包括保护层，该保护层使阳极与包括阳极的电池的电解质之间的副反应最小化。
在第一方面，公开了一种电极。该电极包括保护层。电极也包括集电层。此外，电极包括被设置在保护层与集电层之间的活性层。活性层包括石墨层。活性层也包括硬碳层。此外，活性层包括锂金属层。
石墨层的厚度可以在活性层的厚度的20％至30％之间。
硬碳层的厚度可以在活性层的厚度的40％至60％之间。
锂金属层的厚度可以在活性层的厚度的20％至30％之间。
保护层的厚度可以在1.0μm至5.0μm之间。
保护层可以包括异位陶瓷层。
保护层可以包括Li3N、Li3AlN2、AlN或SiN的异位层。
保护层可以包括原位LiF层。
保护层可以包括异位陶瓷层、Li3N、Li3AlN2、AlN或SiN的异位层、以及原位LiF层的复合材料。
电极可以进一步包括被设置在附加保护层与集电层之间的附加活性层，其中，该附加活性层在集电层的与活性层相对的一侧上，并且其中，附加活性层包括：附加石墨层；附加硬碳层；以及附加锂金属层。
在第二方面，公开了一种锂离子电池。该锂离子电池包括阴极，该阴极包括阴极集电层。锂离子电池还包括阳极。该阳极包括保护层。阳极还包括阳极集电层。此外，阳极包括被设置在保护层与阳极集电层之间的活性层。活性层包括石墨层。活性层还包括硬碳层。此外，活性层包括锂金属层。另外，锂离子电池包括被设置在阴极与阳极之间的电解质。
阴极可以包括LiCoO2、LiNiCoMnO2或LiNiCoAlO2。
锂离子电池可以是袋装单体或棱柱单体。
电解质可以是包含下列物质的溶液：双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)的盐；以及醚或氟化醚。
在第三方面，公开了一种制作方法。方法包括将石墨层施加到集电层上。方法还包括将硬碳层施加到石墨层上。此外，方法包括将锂金属层施加到硬碳层上。另外，方法包括将保护层施加到锂金属层上。
可以使用网涂覆工艺将石墨层施加到集电层上。
可以使用网涂覆工艺将硬碳层施加到石墨层上。
可以使用电化学沉积工艺将锂金属层施加到硬碳层上。
可以使用原子层沉积(ALD)工艺或网涂覆工艺将保护层施加到锂金属层上。
集电层、石墨层、硬碳层、锂金属层以及保护层可以共同形成阳极，方法可以进一步包括：将阴极安置成与阳极相邻并与阳极分离；将阴极和阳极封装在壳体内；以及将电解质插入由阴极与阳极之间的间隔限定的空隙中。
上面的发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细说明，进一步的方面、实施例和特征将变得明显。
附图说明
图1A是根据示例实施例的电池的图示。
图1B是根据示例实施例的电池的图示。
图2A是根据示例实施例的阳极的截面图。
图2B是根据示例实施例的阳极的截面图。
图2C是根据示例实施例的阳极的截面图。
图2D是根据示例实施例的阳极的截面图。
图3A是根据示例实施例的电池的前视图。
图3B是根据示例实施例的电池的侧视图。
图4是图示根据示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
本文中描述了示例方法和系统。本文中所描述的任何示例实施例或特征不必被解释为优选于或优于其他实施例或特征。本文中所描述的示例实施例并不意味着是限制性的。应当容易理解，所公开的系统和方法的某些方面可以以多种不同的配置进行布置和组合，本文中考虑所有这些配置。
此外，图中所示的特定布置不当应被视为限制。应当理解，其他实施例可以包括更多或更少的给定图中所示的每个元件。另外，可以组合或省略一些所图示的元件。类似地，示例实施例可以包括图中未图示的元件。
I.概述
示例实施例涉及用于提高能量密度和减少充电时间的复合材料锂金属阳极。
锂离子电池是许多应用的电池选择，诸如消费电子产品和电动车辆。一直期望提高锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度，同时减少这种电池的充电时间。一种用于提高锂离子电池能量密度/容量的技术是使用锂金属阳极。与具有更传统的阳极(例如，石墨阳极)的电池相比，具有锂金属阳极的电池可以具有提高的容量。然而，仅由锂金属制成的阳极会带来其自身的挑战，诸如降低的库仑效率(例如，低充电/放电效率)、枝晶生长(这能够导致电池内阴极与阳极之间短路)、不足的充电速率(例如，在一些情况下为0.1C的最大充电速率，对应于10小时至20小时的充电时间)，和/或制作方面的挑战。
当在锂离子电池内使用时，其他阳极材料可以具有可替代的优点。例如，石墨阳极可以适于低荷电态的能量储存，并且硬碳阳极可以表现出快速充电和提高的锂电镀。本文中所描述的实施例试图通过将这些材料中的每一种包括在单个阳极中来结合所有这些优点。例如，一个实施例包括具有石墨层、硬碳层和锂金属层的阳极。这种阳极可以提供提高的体积能量密度(例如，比具有可替代的锂金属阳极的锂离子电池增加30％-50％)，同时保持可接受的充电速率。每一层的相对厚度可以被设计以便比另一种材料更多地强调和/或优化一种材料的优点。例如，在其中储存容量最重要的实施例中，锂金属层的厚度可以大于硬碳层的厚度和石墨层的厚度。
除了上述三层(例如，石墨层、硬碳层和锂金属层)之外，阳极还可以包括保护层(例如，异位陶瓷保护层，原位LiF保护层，或者是包括Li3N、Li3AlN2、AlN或SiN的异位层的保护层)。保护层可以使阳极和相应电池的电解质之间的副反应最小化，这可以减少或防止电池内枝晶的形成。此外，在一些实施例中，阳极可以包括集电层(例如，铜集电体)。集电层可以提供阳极与外部电路之间的连接(例如，与由电池供电的负载的连接)。
包括石墨层、硬碳层、锂金属层、保护层以及集电层的阳极对于使用工业制造技术的大规模生产是实用的。例如，石墨层可以使用网涂工艺被涂覆在集电层上，硬碳层可以使用网涂工艺被涂覆在石墨层上，锂金属层可以使用电化学沉积工艺被沉积在硬碳层上，保护层可以使用原子层沉积工艺被沉积在锂金属层上，也可以使用网涂工艺被涂覆在锂金属层上。
上述复合材料阳极可以与电池内的高电压阴极(例如，LiCoO2(LCO)阴极、LiNiCoMnO2(NCM)阴极或LiNiCoAlO2(NCA)阴极)组合。这种电池还可以包括隔膜和电解质。取决于预期的应用，包括上述阳极的电池可以具有多种形状因子。例如，这种电池可以是袋装单体或棱柱单体。
II.示例设备
图1A是电池100(例如，单个单体电池)的图示。例如，电池100可以是可再充电锂离子电池。电池100可以包括阳极102、阴极104、隔膜106以及电解质110内的游离锂离子108。电池100的元件不一定按比例被图示(例如，游离锂离子108可以显著地小于图中所示的)。此外，如图1A中所示，电池100可以由电源112(例如，整流交流(AC)信号、单独充电的电池或充电的电容器)充电。在一些实施例中，阴极、阳极、隔膜以及电解质的多个单体可以串联地和/或并联地被电布置以形成复合材料电池。这种单体布置可以提高复合材料电池的容量和/或电压。电池100可以向一个或多个设备(例如，消费电子设备)提供电功率。
充电可以包括电子通过电池100外部的电路从阴极104流到阳极102。另外，充电可以包括电解质110内的游离锂离子108通过隔膜106从阴极104流动到阳极102。此外，充电可以包括将游离锂离子108插入到阳极102中。这样的过程在图1A中由位于阳极102的“架子”上的锂离子被图示。在一些实施例中，充电可以表示第一化成充电过程。在一些实施例中，第一化成充电过程可以持续10小时至20小时。另外，电池100可以被配置成在电池100的寿命期间经历重复的充电/放电循环。例如，电池100可以是被配置成通过4.20伏至4.50伏或4.40伏至4.60伏的外部电压充电的可再充电电池。应当理解，其他外部充电电压值和/或范围在本文中是可能的并且被考虑。
在各种实施例中，可以使用各种充电/再充电方案。例如，可以使用恒定电压(CV)方案，其中，跨电池的端子施加恒定电压，导致电池充电时电流减小，直到电流达到0.0安培(或在0.0安培的阈值电流内)，此时为电池充电的电压源被移除。在其他实施例中，可以使用恒定电流(CC)方案，其中，由充电设备跨电池端子施加的电压是变化的，使得电流被保持在恒定速率。一旦电池电压达到保持连续电流的阈值，就可以确定电池被充电，并且给电池充电的电压源可以被移除。
可替代地，在一些实施例中，可以使用混合恒定电流/恒定电压(CC/CV)充电模式为电池充电。CC/CV充电模式可以有两个阶段。在第一阶段(CC阶段)，电压可以被连续升高以保持对电池充电的恒定电流。然后，一旦电压达到特定最大充电电压阈值，CC/CV充电模式的第二阶段就可以开始。在第二阶段(CV阶段)，电压可以被保持在最大充电电压阈值，并且可以允许充电电流减小。一旦充电电流达到阈值水平，指示电池被充电，CC/CV充电模式可以停止。
阳极102可以是电池100的负端子(电极)。例如，阳极102可以包括在阳极102背离隔膜106的一侧上的一个或多个外部电触点(例如，集电体)。(多个)外部电触点可以允许阳极102与电源112或负载之间的电连接。在各种实施例中，阳极102可以包括石墨、Li、Li4Ti5O12、锂金属复合材料、硬碳和/或Si。此外，如下文参考图2A至图2D所描述的，阳极102可以包括多层复合材料结构。
阴极104可以是电池100的正端子(电极)。例如，阴极104可以包括在阴极104背离隔膜106的一侧上的一个或多个外部电触点(例如，集电体)。(多个)外部电触点可以允许阴极104与电源112或负载之间的电连接。在各种实施例中，阴极104可以包括LiCoO2(LCO)、LiMn2O4、氧化钒、LiNiCoMnO2(NCM)、LiNiCoAlO2(NCA)、橄榄石(例如，LiFePO4)或这种材料的两种或更多种的复合材料。LCO可以被用于其中重视提高的体积能量密度的应用(例如，消费电子设备，诸如移动设备)。另外或可替代地，NCM可以被用于其中重视提高的重量能量密度的应用(例如，电动车辆)。其他含锂阴极材料在本文中是可能的并且被考虑。
隔膜106可以防止电池100内的阴极104与阳极102短路。例如，隔膜106可以包括半透膜(例如，可渗透到游离锂离子108)。为了实现这种半渗透性，隔膜106可以包括微孔，微孔被确定尺寸成在充电或放电过程期间选择性地允许游离锂离子108通过。隔膜106的半透膜也可以具有无定形或半结晶结构。此外，隔膜106的半透膜可以是聚合物的(例如，由醋酸纤维素、硝基纤维素、纤维素酯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯和/或芳纶制成)。另外，隔膜106可以是化学和电化学稳定的，以在充电和放电过程期间在电池100内使用。在一些实施例中，隔膜106可以包括多层结构。
在一些实施例中，隔膜106可以是具有更大机械稳定性的非标准隔膜，这能够防止枝晶刺穿隔膜106。此外，隔膜106还可以包括化学和/或电化学稳定的化合物，以在充电和放电过程期间在电池100内使用。例如，这样的化合物可以提高电池100的寿命。
在一些实施例中，电池100可以是薄膜电池。在这种实施例中，电池100可以不包括隔膜106。此外，在这种实施例中，电解质110可以是固体(例如，而不是液体)，由此满足电解质110和隔膜106两者的目的(例如，运输离子并防止阴极104与阳极102短路)。在这种实施例中，可能不需要分离的隔膜。
游离锂离子108可以在电池100的充电/放电过程期间在阳极102与阴极104之间转移。在一些实施例中，游离锂离子108可以来源于阴极104。例如，阴极104可以包括LiCoO2，其可以是在充电过程期间(例如，在第一形成物充电过程期间)发生的化学反应期间的游离锂的源头。其他游离锂离子源也是可能的。例如，阳极102可以提供游离锂离子，和/或溶解在电解质110内的锂盐(例如，LiPF6、LiBF4、LiBC4O8、Li[PF3(C2F5)3]、LiClO4或LiC2F6NO4S2(即，双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)))可以提供游离锂离子。
电解质110可以是一种介质，在电池100的充电和放电过程中，自由锂离子108穿过该介质行进。在各种实施例中和/或在各种温度下，电解质110可以是胶体或液体。例如，电解质110可以是有机溶剂(例如，碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、醚或氟化醚)。电解质110内可以包含添加剂以提高电解质110的有效性。例如，在一些实施例中，电解质内可以包括离子液体以降低电解质溶液的挥发性。
如上所述，在一些实施例中(例如，其中电池100为薄膜电池的实施例)，电解质110可以是固体的(例如，而不是液体或胶体)。例如，在一些实施例中，电解质110可以包括沉积在阴极104上的一层或多层无定形玻璃层(例如，使用溅射或气相沉积来沉积)。一种可以被使用的无定形玻璃材料是氧氮化锂磷(LiPON)。
图1B是电池100的另一图示。图1B中所图示的电池100可以跨负载122放电。对电池100放电可以包括电子穿过电池100外部的电路跨负载122从阳极102流动到阴极104。对电池100放电还可以包括电解质110内的游离锂离子108通过隔膜106从阳极102流动到阴极104(在具有分离隔膜的实施例中)。此外，对电池100放电可以包括将游离锂离子108插入阴极104。这种场景在图1B中由位于阴极104的“架子”上的锂离子示出。
负载122可以是由电池100供电的设备，诸如电动车辆、混合动力电动车辆、移动设备、平板计算设备、膝上型计算设备、光源、电视遥控器、耳机等等。例如，负载122可以由在放电过程期间穿过电池100外部的电路的电子流供电。
图2A是根据示例实施例的阳极200的截面图。阳极200包括集电层202、活性层(包括石墨层204、硬碳层206以及锂金属层208)以及保护层210。
集电层202可以被用于将阳极200连接到电池外部的一个或多个组件。例如，集电层202可以被用于将阳极200连接到充电电路(例如，壁式充电器)或连接到电池可以跨其被放电以提供功率的负载(例如，电动车辆或移动设备)。集电层202可以包括一层或多层金属层(例如，一层或多层金属箔片)。例如，集电层202可以包括铜。另外或可替代地，集电层202可以包括铝、不锈钢、锌、钛、银、钯、镍、铁、铬或其合金。在一些实施例中，集电层202的厚度(例如，沿图2A中所示的x方向测量的集电层202的尺寸)可以在5μm至15μm之间(例如，在8μm至12μm之间)。
在一些实施例中，石墨层204可以被定位成与集电层202和/或硬碳层206相邻。例如，在一些实施例中，石墨层204可以使用网涂覆工艺已经被施加到集电层202上。石墨(如在石墨层204中)为碳的六边形组织结晶形式。石墨层204可以是活性层的一部分，其被配置成储存能量以供在低荷电态下使用。此外，活性层的石墨层204部可以使用中间充电电流(例如，0.7C至1.0C之间的最大充电电流)充电。作为参考，电池的“C-rate”(即，1.0C)等于电池总容量(在充电时)在一小时内流过给定点的电流。例如，2,500mAh电池的1.0C充电电流等于2.5A。同样地，3,000mAh电池的0.5C放电电流等于1.5A。此外，1,700mAh电池的2.0C充电电流为3.4A。
在图2A中图示了石墨层204的厚度222。如图所示，石墨层204的厚度222可以是沿x轴测量的石墨层204的尺寸。在各种实施例中，石墨层204的厚度222可以不同。例如，石墨层204的厚度222可以在阳极200的活性区域的总厚度232的20％至30％之间(如在x方向上测量的，如图示)。此外，在一些实施例中，石墨层204可以储存阳极200的能量容量的12.5％至37.5％(例如，约25％)。
在一些实施例中，硬碳层206可以被定位成与石墨层204和/或锂金属层208相邻。例如，在一些实施例中，硬碳层206可能使用网涂覆工艺已经被施加到石墨层204上。硬碳(如在硬碳层206中)是不规则和无序形式的碳(例如，通过聚合物的热解合成)。硬碳层206可以是被配置成快速地被充电的活性层的一部分(例如，由于硬碳晶体结构内的空隙内的有效锂电镀)。例如，活性层的硬碳层206部可使用相对大的充电电流(例如，1.0C至1.5C之间的最大充电电流)充电。
在图2A中图示了硬碳层206的厚度224。如图示，硬碳层206的厚度224可以是沿x轴测量的硬碳层206的尺寸。在各种实施例中，硬碳层206的厚度224可以不同。例如，硬碳层206的厚度224可以在阳极200的活性区域的总厚度232的40％至60％之间(如在x方向上测量的，如图示)。此外，在一些实施例中，硬碳层206可以储存阳极200的能量容量的37.5％至62.5％(例如，约50％)。
在一些实施例中，锂金属层208可以被定位为与硬碳层206和/或保护层210相邻。例如，在一些实施例中，锂金属层208可以使用电化学沉积工艺已经被施加到硬碳层206上。锂金属层208可以是被配置成表现出高能量储存容量的活性层的一部分。此外，活性层的锂金属层208部可使用相对小的充电电流(例如，0.1C至0.2C之间的最大充电电流)充电。
在图2A中图示了锂金属层208的厚度206。如图示，锂金属层208的厚度226可以是沿x轴测量的锂金属层208的尺寸。在各种实施例中，锂金属层208的厚度226可以不同。例如，锂金属层208的厚度226可以在阳极200的有效区域的总厚度232的20％至30％之间(如在x方向上测量的，如图所示)。此外，在一些实施例中，锂金属层208可以储存阳极200的能量容量的12.5％至37.5％(例如，约25％)。
在一些实施例中，包括复合材料阳极的电池的最大充电速率(例如，就C-rate而言的最大充电电流)可以凭经验被确定。此外，这种最大充电速率可以取决于：用于制作相应阴极的尺寸、形状和/或材料；用于制作相应电解质的尺寸、形状和/或材料；和/或用于制作相应隔膜的尺寸、形状和/或材料。另外或可替代地，这种最大充电速率可以取决于阳极200的活性层内的层的质量比或厚度比(例如，石墨层204与硬碳层206与锂金属层208的质量比)。
保护层210可以被用于保护阳极200免受电池的其他组件的影响。例如，保护层210可以被用于使阳极200与电解质(例如，图1A和图1B中所示的电池100的电解质110)之间的副反应最小化。保护层210可以包括各种材料。例如，保护层210可以包括异位陶瓷层(即，与阳极200分开形成然后结合到阳极200中的陶瓷层)。另外或可替代地，保护层210可以包括原位LiF层(即，在阳极200内就地形成的LiF层)。此外，保护层210可以包括Li3N、Li3AlN2、AlN和/或SiN的异位层。在又其他实施例中，保护层210可以包括异位陶瓷层的复合材料；Li3N、Li3AlN2、AlN和/或SiN的异位层；和/或原位LiF层。更进一步，在一些实施例中，保护层210可以包括固体聚合物层。
保护层210可以被设置在阳极200内，与活性层相邻(例如，与活性层内的锂金属层208相邻)。例如，在一些实施例中，保护层210可以使用原子层沉积(ALD)工艺或网涂覆工艺已经被施加到锂金属层208上。另外，在一些实施例中，保护层210的厚度(例如，沿x轴测量的保护层210的尺寸)可以在1.0μm至5.0μm之间(例如，在2.0μm至3.0μm之间)。
应当理解，图2A中所图示的阳极200仅是作为示例提供的，并且其他实施例也是可能的。例如，在一些实施例中，集电层202、石墨层204、硬碳层206、锂金属层208以及保护层210的相对厚度可以不同于图2A中所图示的(例如，硬碳层206的相对厚度可以被增加以提高包括阳极200的电池的最大充电/放电速率，和/或锂金属层208的相对厚度可以被增加以提高包括阳极200的电池的体积能量密度)。另外或可替代地，活性层内的层(例如，石墨层204、硬碳层206和锂金属层208)的相对位置也可以与图2A中所图示的不同。例如，在其他实施例中，活性层的底层可以是硬碳层206，活性层的中间层可以是锂金属层208，活性层的顶层可以是石墨层204。
另外或可替代地，在一些实施例中，在集电层202的两侧上可以有阳极层(例如，以提高阳极的能量储存密度)。例如，如图2B所图示的阳极240，一些阳极可以包括多个活性层和多个保护层(例如，其中这种活性层和保护层关于集电层202被对称地安置)。如图所示，图2B是根据示例实施例的阳极240的截面图。阳极240包括集电层202、活性层(包括石墨层204、硬碳层206和锂金属层208)、保护层210、附加活性层(包括附加石墨层244、附加硬碳层246以及附加锂金属层248)以及附加保护层250。附加活性层可以被安置于集电层202的与活性层相对的一侧上，如图示。附加活性层和/或附加保护层250的层可以使用上文关于活性层和保护层210所描述的对应技术(例如，网涂覆工艺、电化学沉积工艺和/或ALD工艺)被制作。
如图2B中所图示，活性层/保护层210和附加活性层/附加保护层250可以在阳极240内对称。在可替代实施例中，其他布置也是可能的。例如，在一些实施例中，附加活性层可以比活性层更厚或更薄。类似地，在一些实施例中，附加活性层内的各个层的厚度可以不同于活性层内的各个层的厚度。例如，附加石墨层244的厚度262可以不同于石墨层204的厚度222，附加硬碳层246的厚度264可以不同于硬碳层206的厚度224，和/或附加锂金属层248的厚度266可以不同于锂金属层208的厚度226。
另外或可替代地，在一些实施例中，附加保护层250可以比保护层210更厚或更薄。又进一步，在一些实施例中，附加石墨层244、附加硬碳层246和/或附加锂金属层248在附加活性层内的相对位置可以不同于石墨层204、硬碳层206和/或锂金属层208在活性层内的相对位置。
附加实施例(例如，与图2A和图2B中所示的那些实施例不同)也是可能的。在一些实施例中，阳极(例如，图2C中所图示的阳极270)可以包括具有超过三层的活性层。例如，图2C的阳极270包括具有九层(例如，三层石墨层204、三层硬碳层206以及三层锂金属层208)的活性层。应当理解，其他数量的层也是可能的(例如，四、五、六、七、八、十等)。图2C的设计可以提供更厚的阳极，同时利用上述相同的制作技术。例如，网涂覆工艺可以能够生产预定厚度的层。因此，为了实现给定材料的增加的质量，施加多个网涂覆层可能比试图施加更大厚度的单个网涂覆层更实用。在一些实施例中，例如，图2C中的活性层中石墨与硬碳与锂金属的质量比可以与图2A中的相同，即使每一个的层数不同。在其他实施例中，图2C的九层可以被不同地布置(例如，所有相似层可以彼此相邻，诸如三个石墨层204中的每一个被彼此相邻地被安置)。
另外，图2C的阳极270可以包括在集电层202的相对侧上的附加活性层(例如，类似于图2B中所示的阳极240)。在集电层202的相对侧上的任何(多个)附加活性层可以具有与图2C中所示的活性层相同或不同的层数。此外，与图2C中所示的活性层相比，在集电层202的相对侧上的任何(多个)附加活性层可以具有在(多个)附加活性层内部的层的不同布置和/或相对厚度。
更进一步，在一些实施例中，石墨层204、硬碳层206和锂金属层208的数量可以不同。例如，如图2D的阳极280所示，可以有多个石墨层204(例如，三个石墨层204)、多个硬碳层206(例如，三个硬碳层206)和单个锂金属层208。应当理解，其他组合也是可能的并且在本文中被考虑(例如，一层石墨层204、两层硬碳层206和三层锂金属层208)。也如图2D中所图示，在一些实施例中，相同材料的不同层可以具有不同的厚度。例如，图2D中的每个石墨层204具有不同的厚度。类似地，如图2D中所图示，每个硬碳层206具有不同的厚度。
可替代地，在一些实施例中，阳极可以不包括分离的层(例如，如图2A至图2D中所图示)。相反，阳极可以包括作为不同材料的合金的无定形活性层(例如，具有给定的质量比以展现阳极的期望特性，诸如石墨与硬碳与锂金属的质量比类似于图2A和图2B的活性层)。
本文所描述的阳极(例如，图2A至图2D中所图示的阳极200/240/270/280)可以是锂离子电池的组件(例如，连同阴极、电解质和/或隔膜，如在图1A中所示的电池100)。例如，本文中所描述的阳极可以与高压阴极(例如，LCO阴极、NCM阴极、NCA阴极，或者作为LCO、NCM和/或NCA的复合材料的阴极)在锂离子电池内被配对。这种锂离子电池可以具有2.5伏至4.4伏的最大充电电压(例如，取决于阴极的组分)。
在各种实施例中，本文中所描述的锂离子电池可以采用多种形状因子。例如，在图3A和3B中图示了包括图2A至图2D中所图示的阳极200/240/270/280的锂离子电池300。图3A是锂离子电池300的前视图(例如，从垂直于x轴的视角)，并且图3B是锂离子电池300的侧视图(例如，从垂直于y轴的视角)。如图示，锂离子电池300可以是袋装单体。同样如图示，锂离子电池300可以具有限定在袋装单体内的带正引线302(例如，连接到锂离子电池300的阴极)的正端子，和具有带负引线304(例如，连接到锂离子电池300的阳极)的负端子。
在可替代实施例中，锂离子电池300可以采用其他形式。例如，锂离子电池300可以是棱柱单体、纽扣单体(例如，CR2032纽扣单体)或卷芯单体。这种卷芯构造可以被封装在金属或塑料圆柱形壳体中(例如，以在电池故障的情况下防止电解质溶液泄漏和/或提高安全性)。在一些实施例中，与卷芯形状因子相比，当处于袋装形状因子时，因为在袋装构造中没有使用圆柱形壳体，锂离子电池300可以具有提高的重量能量密度。
在一些实施例中，锂离子电池300可以向设备(例如，消费电子设备)的组件供应电功率。例如，锂离子电池300可以被连接到设备内的电路(例如，电耦合到设备内的母板)。此外，锂离子电池300可以可连接到外部电源(例如，壁式插座)，以便对锂离子电池300再充电。可替代地，锂离子电池300可以经由无线充电(例如，使用与外部电源的电感耦合)来充电。
III.示例过程
图4是示出制作方法400的流程图。可以执行方法400来制作电池(例如，包括图2A中所图示的阳极200的电池)。
在框402，方法400可以包括将石墨层施加到集电层上。在一些实施例中，石墨层可以使用网涂覆工艺被施加到集电层上。网涂覆工艺可以包括使柔性材料(例如，薄膜)通过多个辊并印刷或以其他方式将附加材料沉积到柔性材料上。例如，集电层可以是通过石墨层被涂覆在其上的多个辊的柔性铜层。
在框404，方法400可以包括将硬碳层施加到石墨层上。在一些实施例中，硬碳层可以使用网涂覆工艺被施加到石墨层上。例如，石墨层与集电层的复合材料可以通过多个辊，并且硬碳层可以被涂覆在复合材料上。
在框406，方法400可以包括将锂金属层施加到硬碳层上。在一些实施例中，可以使用电化学沉积工艺(例如，电镀工艺)将锂金属层施加到硬碳层上。例如，集电层、石墨层和硬碳层的复合材料可以被浸没或部分浸没在具有溶解的锂金属离子的溶液中。在浸没或部分浸没这种复合材料之后，可以施加电流以便进行还原反应，由此将锂金属镀在硬碳层上。
在框408，方法400可以包括将保护层施加到锂金属层上。在一些实施例中，可以使用ALD工艺或网涂覆工艺将保护层施加到锂金属层上。例如，锂金属层、硬碳层、石墨层和集电层的复合材料可以通过多个辊，并且保护层可以被涂覆到复合材料上(例如，在其中保护层包括异位陶瓷层或者是Li3N、Li3AlN2、AlN和/或SiN的异位层的实施例中)。可替代地，可以通过在锂金属层表面附近引入前体(例如lithd和TiF4)，使用ALD将LiF(例如，LiF薄膜)施加(例如，原位)到复合材料。
在一些实施例中，集电层、石墨层、硬碳层、锂金属层以及保护层可以共同形成阳极。此外，方法400可以包括将阴极定位成与阳极相邻并与阳极分离。方法400还可以包括将阴极和阳极封装在壳体内。此外，方法400可以包括将电解质插入由阴极与阳极之间的间隔限定的空隙中。
IV.总结
上文详述的说明参考附图描述了所公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。虽然本文中已经公开了各个方面和实施例，但其他方面和实施例将是显而易见的。本文中公开的各个方面和实施例仅出于说明的目的并且无意进行限制，真实范围由所附权利要求指示。
本公开不被限于本申请中所述的特定实施例，特定实施例旨在作为各个方面的说明。将对本领域技术人员明显的是，能够在不脱离其精神和范围的情况下做出许多修改和变化。除了本文中列举的那些之外，本领域技术人员通过前述说明应当明白本公开范围内的功能等效的方法和装置。这些修改和变化旨在落入所附权利要求的范围内。
上文详述的说明参考附图描述了所公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。在附图中，除非上下文另有说明，否则相似的附图标记通常表示相似的组件。本文和附图中所述的示例实施例并不意味着是限制性的。在不脱离本文中提出的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以做出其他改变。应当容易理解，本文中一般地描述的以及附图中所图示的本公开的多个方面可以以多种不同的配置进行布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都在本文中被明确地考虑。
图中所示的特定布置不应被视为限制。应当理解，其他实施例能够包括更多或更少的给定附图中所示的每个元件。此外，可以组合或省略一些所示元件。又进一步，示例实施例能够包括附图中未图示的元件。
虽然本文中已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对本领域技术人员将是明显的。本文中公开的各个方面和实施例是为了说明的目的而不是旨在进行限制，真实范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种电极，包括：
保护层；
集电层；以及
活性层，所述活性层被设置在所述保护层与所述集电层之间，其中，所述活性层包括：
石墨层；
硬碳层；以及
锂金属层。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述石墨层的厚度在所述活性层的厚度的20％至30％之间。
3.根据权利要求1或2所述的电极，其中，所述硬碳层的厚度在所述活性层的厚度的40％至60％之间。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述锂金属层的厚度在所述活性层的厚度的20％至30％之间。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述保护层的厚度在1.0μm至5.0μm之间。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述保护层包括异位陶瓷层。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述保护层包括Li3N、Li3AlN2、AlN或SiN的异位层。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述保护层包括原位LiF层。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述保护层包括异位陶瓷层、Li3N、Li3AlN2、AlN或SiN的异位层、以及原位LiF层的复合材料。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，进一步包括附加活性层，所述附加活性层被设置在附加保护层与所述集电层之间，
其中，所述附加活性层在所述集电层的与所述活性层相对的一侧上，
其中，所述附加活性层包括：
附加石墨层；
附加硬碳层；以及
附加锂金属层。
11.一种锂离子电池，包括：
阴极，所述阴极包括阴极集电层；
阳极，所述阳极包括：
保护层；
阳极集电层；以及
活性层，所述活性层被设置在所述保护层与所述阳极集电层之间，其中，所述活性层包括：
石墨层；
硬碳层；以及
锂金属层；以及
电解质，所述电解质被设置在所述阴极与所述阳极之间。
12.根据权利要求11所述的锂离子电池，其中，所述阴极包括LiCoO2、LiNiCoMnO2或LiNiCoAlO2。
13.根据权利要求11或12所述的锂离子电池，其中，所述锂离子电池是袋装单体或棱柱单体。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的锂离子电池，其中，所述电解质是包括以下物质的溶液：
双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)的盐；以及
醚或氟化醚。
15.一种制作方法，包括：
将石墨层施加到集电层上；
将硬碳层施加到所述石墨层上；
将锂金属层施加到所述硬碳层上；以及
将保护层施加到所述锂金属层上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，使用网涂覆工艺将所述石墨层施加到所述集电层上。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，使用网涂覆工艺将所述硬碳层施加到所述石墨层上。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中，使用电化学沉积工艺将所述锂金属层施加到所述硬碳层上。
19.根据权利要求15至18中的任一项所述的方法，其中，使用原子层沉积(ALD)工艺或网涂覆工艺将所述保护层施加到所述锂金属层上。
20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，
其中，所述集电层、所述石墨层、所述硬碳层、所述锂金属层以及所述保护层共同形成阳极，并且，
其中，所述方法进一步包括：
将阴极安置成与所述阳极相邻并与所述阳极分离；
将所述阴极和所述阳极封装在壳体内；以及
将电解质插入由所述阴极与所述阳极之间的间隔限定的空隙中。
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