CN115241456A - 具有用于控制固体电解质界面层的形成的表面结构的集流体 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有用于控制固体电解质界面层的形成的表面结构的集流体。本公开提供了一种电化学电池，其包括导电材料层、设置在导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置的前体材料、以及设置在前体材料上或与其毗邻设置的电活性材料层。在某些变型中，前体材料形成连续层并且固体电解质界面层设置在电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置。在其它变型中，前体材料形成以预定图案设置在导电材料层的第一表面上的多个不同的前体结构，使得每个不同的前体结构的至少一部分不受电活性材料层的阻挡。所述不同的前体结构被配置为形成化学连接固体电解质界面层和导电材料层的表面结构。

Description

具有用于控制固体电解质界面层的形成的表面结构的集流体
技术领域
本公开涉及具有表面结构的集流体，所述表面结构有助于控制在包括所述集流体的电化学电池中固态电解质层(solid-state electrolyte layers)的形成。本公开还涉及包括所述集流体的电化学电池。
背景技术
本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
需要先进的能量储存装置和系统以满足各种产品的能量和/或动力需求，所述产品包括汽车产品，例如启停系统(例如12V启停系统)、电池组(battery)辅助系统、混合动力电动车辆("HEV")和电动车辆("EV")。典型的锂离子电池组包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。两个电极之一可充当正电极或阴极并且另一个电极可充当负电极或阳极。隔离件和/或电解质可以设置在负电极与正电极之间。所述电解质适于在电极之间传导锂离子(或钠离子电池组的情况下的钠离子，或钾离子电池组的情况下的钾离子，或镁离子电池组的情况下的镁离子等等)，并且如同两个电极，可以为固体和/或液体形式和/或其混杂物。在固态电池组(其包括固态电极和固态电解质)的情况中，固态电解质可以物理分隔电极，从而不需要单独的隔离件。
常规的可再充电锂离子电池组通过在负电极与正电极之间可逆地来回传递锂离子来运行。例如，在电池组充电过程中，锂离子可以由正电极移动到负电极，并当电池组放电时以相反方向移动。此类锂离子电池组可以按需向相关负载设备可逆地供电。更具体而言，可以通过所述锂离子电池组向负载设备提供电能，直到负电极的锂含量被有效耗尽。然后可以通过在电极之间以相反方向传送合适的直流电流来对电池组进行再充电。
在放电过程中，负电极可以含有相对高浓度的嵌入锂或锂金属，所述嵌入锂或锂金属通常被氧化成锂离子，释放电子。锂离子可以例如通过包含在插入的多孔隔离件的孔隙中的离子导电电解质溶液由负电极输送到正电极。同时，电子通过外部电路由负电极传送至正电极。这样的锂离子可以典型地通过电化学还原反应同化(assimilated)到正电极的材料中。在其可用容量部分或完全放电后，可以通过外部电源将电池组再充电或再生，其逆转放电过程中发生的电化学反应。
然而，在各种情况中，由于例如在首次循环(first cycle)过程中的转化反应和/或在负电极上形成固体电解质界面(SEI)层，以及由于例如连续固体电解质界面破裂导致的持续锂损失，一部分锂在首次循环之后保持与负电极在一起。由于例如不参与电池组的可逆运行的正电极质量增加，所以此类锂离子的永久损失可能导致电池组中降低的比能量和功率。例如，锂离子电池组在首次循环后可经历大于或等于约5%至小于或等于约30%的不可逆容量损失，并且在含硅负电极的情况中，在首次循环后不可逆容量损失大于或等于约20%至小于或等于约40%。因此，期望开发可以解决这些挑战的改进的电极和电活性材料以及制备和使用它们的方法。
发明内容
本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开涉及具有表面结构的集流体，所述表面结构有助于控制在包括所述集流体的电化学电池中固态电解质层的形成。
在各个方面中，本公开提供了一种用于电化学电池的集流体。所述集流体包括导电材料层和设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置的前体材料，其中所述前体材料具有小于约10-4S/cm的离子电导率。
在一个方面中，所述前体材料可以设置在所述导电材料的第一表面上或与其毗邻设置，以形成基本连续的层。所述基本连续的层可以具有大于或等于约0.001µm至小于或等于约20µm的平均厚度。
在一个方面中，所述前体材料可以设置在所述导电材料的第一表面上或与其毗邻设置，以在所述导电材料层的第一表面上形成多个不同的前体结构。所述不同的前体结构可以以预定图案设置在所述导电材料层的第一表面上。
在一个方面中，所述不同的前体结构可以覆盖所述导电材料层的第一表面的总表面积的大于或等于约1％至小于或等于约50％。
在一个方面中，所述不同的前体结构可以具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。
在一个方面中，所述前体材料包括选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷(perfluoro-organosiloxane)及其组合。
在各个方面中，本公开提供了一种电化学电池。所述电化学电池可以包括导电材料层、设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置的前体材料、以及设置在所述前体材料上或与其毗邻设置的电活性材料层。所述非导电材料可以具有小于约10-4S/cm的离子电导率。
在一个方面中，所述前体材料可以设置在所述导电材料的第一表面上或与其毗邻设置，以形成基本连续的层。所述基本连续的层可以具有大于或等于约0.001µm至小于或等于约20µm的平均厚度。
在一个方面中，所述电化学电池还可以包括固体电解质界面层(solid-electrolyte interface layer)，其设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置。
在一个方面中，所述固体电解质界面层可以包括选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯(semicarbonates)及其组合。
在一个方面中，所述前体材料可以设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置，以形成以预定图案设置在所述导电材料层的第一表面上的多个不同的前体结构。
在一个方面中，每个不同的前体结构的至少一部分可以不受所述电活性材料层的阻挡。
在一个方面中，每个不同的前体结构的至少一部分可以延伸穿过所述电活性材料层。
在一个方面中，所述不同的前体结构可以覆盖所述导电材料层的第一表面的总表面积的大于或等于约1％至小于或等于约50％。
在一个方面中，所述不同的前体结构可以具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。
在一个方面中，每个不同的前体结构的平均高度比电活性材料层的平均厚度高大于或等于约20％至小于或等于约400％。
在一个方面中，每个不同的前体结构的平均高度可以是大于约1µm至小于或等于约500µm，并且所述电活性材料层可以具有大于约10µm至小于或等于约200µm的初始厚度。
在一个方面中，所述电化学电池还可以包括固体电解质界面层，其设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置并接触所述不同的前体结构中的每一个。所述不同的前体结构可以被配置为形成化学连接所述固体电解质界面层和所述导电材料层的表面结构。
在一个方面中，所述固体电解质界面层可以包括选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
在一个方面中，所述前体材料可包括选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷及其组合。
在各个方面中，本公开可提供一种电化学电池。所述电化学电池可包括导电材料层、以预定图案设置在所述导电材料层的第一表面上的多个不同的前体结构、以及电活性材料层，所述电活性材料层设置在所述前体材料上或与其毗邻设置使得每个不同的前体结构的至少一部分不受所述电活性材料层的阻挡。所述不同的前体结构可以覆盖所述导电材料层的第一表面的总表面积的大于或等于约1％至小于或等于约50％，并且所述不同的前体结构可以具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。
在一个方面中，每个不同的前体结构的至少一部分可以延伸穿过所述电活性材料层。
在一个方面中，所述电化学电池还可以包括固体电解质界面层，其设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置并接触所述不同的前体结构中的每一个。所述不同的前体结构可以被配置为形成化学连接所述固体电解质界面层和所述导电材料层的表面结构。
在一个方面中，所述固体电解质界面层可以包括选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
在一个方面中，所述不同的前体结构中的每一个可以包括选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷及其组合。
在各个方面中，本公开提供了一种电化学电池。所述电化学电池可以包括导电材料层、设置在所述导电材料层的暴露表面上或与其毗邻设置的电活性材料层、设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置的固体电解质界面层、以及多个不同的表面结构，所述多个不同的表面结构可穿过所述电活性材料层自由获得并化学连接所述导电材料层的第一表面和所述固体电解质界面层。
在一个方面中，所述多个表面结构可以包含氟化锂(LiF)。
在一个方面中，所述固体电解质界面层可以包括选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
在一个方面中，所述不同的表面结构可以覆盖所述导电材料层的第一表面的总表面积的大于或等于约1％至小于或等于约50％。
在一个方面中，所述不同的表面结构可以具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。
在各个方面中，本公开提供了一种用于固定(securing)固体电解质界面层的方法。所述方法可以包括将前体材料设置在导电材料层上或与其毗邻设置。所述前体材料可以具有小于约10-4S/cm的离子电导率。所述方法还可以包括将电活性材料层设置在所述前体材料上或与其毗邻设置。所述前体材料可以被配置为形成化学连接所述导电材料层和固体电解质界面层的表面结构，所述固体电解质界面层设置或形成在所述电活性材料层的暴露表面上。
在一个方面中，所述前体材料可以设置在所述导电材料的第一表面上或与其毗邻设置，以形成基本连续的层。所述基本连续的层可以具有大于或等于约0.001µm至小于或等于约20µm的平均厚度。
在一个方面中，所述前体材料可以设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置，以形成以预定图案设置在所述导电材料层的第一表面上的多个不同的前体结构。
在一个方面中，每个不同的前体结构的至少一部分可以不受所述电活性材料层的阻挡。
在一个方面中，每个不同的前体结构的至少一部分可以延伸穿过所述电活性材料层。
在一个方面中，所述前体材料可包括选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷及其组合。
在一个方面中，所述固体电解质界面层可以包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
其它适用领域由本文中提供的描述将变得显而易见。本概述中的描述和具体例子仅意在进行说明并且无意限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于说明所选实施方案而非所有可能的实施方式的目的，并且无意限制本公开的范围。
图1是一种示例性电化学电池组电池的示意图；
图2A是根据本公开的各个方面的包括集流体和设置在集流体表面上的多个前体结构的一种示例性电极组装件(用于例如图1中所示的电池组电池中)的横截面图，其中前体结构延伸穿过电活性材料层以形成用于固体电解质界面层的连接点；
图2B是根据本公开的各个方面的一种示例性电极的横截面图，该电极包括集流体、设置在集流体表面上的多个表面结构、以及通过所述多个表面结构连接至集流体的固态电解质界面层，其中所述表面结构通过所述前体结构(如图2A中所示)与锂的反应形成；
图2C是根据本公开的各个方面的包括多个表面结构的一种示例性集流体的平面图；
图2D是根据本公开的各个方面的包括多个表面结构的另一示例性集流体的平面图；
图2E是根据本公开的各个方面的包括多个表面结构的又另一示例性集流体的平面图；和
图3是根据本公开的各个方面的一种示例性电极的横截面图，该电极包括在集流体和电活性材料层的平行表面之间的连接中间层，其中所述连接中间层促进与设置在电活性材料层的暴露表面上或设置在电活性材料层的暴露表面处的固体电解质界面层的结合。
贯穿附图的几个视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
提供了示例性实施方案从而本公开将是彻底的并将向本领域技术人员充分传达其范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组分、装置和方法的例子，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要使用具体细节，示例性实施方案可以具体体现为许多不同的形式，并且它们都不应被视为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
本文所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案而无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，否则如本文中所用的那样单数形式"一个"、"一种"和"该"可旨在也包括复数形式。术语"包含"、"包括"、"含有"和"具有"是包容性的，因此说明了所描述特征、要素、组合物、步骤、整数、操作和/或组分的存在，但不排除一种或更多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或其集合的存在或加入。尽管开放式术语"包括"应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面中，该术语相反地可替代地理解为更具限制性和局限性的术语，如"由……组成"或"基本由……组成"。由此，对叙述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任意给定实施方案，本公开还特别包括由或基本由此类所述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在"由……组成"的情况中，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在"基本由……组成"的情况中，从此类实施方案中排除实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是不实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤可以包括在该实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或展示的特定次序实施，除非明确确定为一定的实施次序。还要理解的是，除非另行说明，可以使用附加或替代步骤。
当部件、元件或层被提到在另一元件或层"上"、"啮合"、"连接"或"耦合"到另一元件或层上，其可以直接在另一部件、元件或层上、啮合、连接或耦合到另一部件、元件或层上，或可能存在中间元件或层。相反，当一个元件被提到直接在另一元件或层上、"直接啮合"、"直接连接"或"直接耦合"到另一元件或层上，可不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释(例如"在...之间"vs"直接在...之间"，"相邻"vs"直接相邻"等)。如本文中所用的那样，术语"和/或"包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或区段，但这些步骤、元件、部件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制，除非另外指明。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或区段区分于另一步骤、元件、部件、区域、层或区段。除非上下文中清楚明示，否则术语例如"第一"、"第二"和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、部件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、部件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了容易描述，在本文中可以使用空间或时间上的相对术语，如"之前"、"之后"、"内"、"外"、"下"、"下方"、"下部"、"上"、"上部"等描述图中所示的一个元件或特征相对其他元件或特征的关系。空间或时间上的相对术语可旨在包括除图中所示的取向外装置或系统在使用或操作中的不同取向。
在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以包括与给定值的轻微偏差和大致具有所列值的实施方案和确切具有所列值的实施方案。除了在具体实施方式部分最后提供的实施例中之外，本说明书(包括所附权利要求)中的参数(例如量或条件)的所有数值应被理解为在所有情况中被术语"约"修饰，无论在数值前是否实际出现"约"。"约"是指所述数值允许一定的轻微不精确(有些接近精确的该值；大致或合理地接近该值；几乎)。如果由"约"提供的不精确性在本领域中不以这种普通含义理解，则本文所用的"约"至少是指可能由测量和使用此类参数的普通方法造成的变动。例如，"约"可以包含小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%和在某些方面中任选小于或等于0.1%的变动。
此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对这些范围给出的端点和子范围。
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。
典型的锂离子电池组(例如循环锂离子的电化学电池)包括第一电极(例如正电极或阴极)、与之相对的第二电极(例如负电极或阳极)和设置在它们之间的隔离件和/或电解质。通常，在锂离子电池组包中，电池组或电池可以以堆叠或卷绕构造电连接以提高总输出。锂离子电池组通过在第一和第二电极之间可逆地传递锂离子来运行。例如，在电池组充电过程中，锂离子可以由正电极移动到负电极，并在电池组放电时以相反方向移动。所述电解质适于传导锂离子(或者在钠离子电池组的情况下是钠离子，等等)并可以为液体、凝胶或固体形式。例如，在图1中显示了电化学电池(也称为电池组)20的示例性和示意性图示。
此类电池被用于交通工具或汽车运输应用(例如，摩托车、船、拖拉机、公共汽车、活动房屋、野营车和坦克)。然而，本申请的技术可以用于各种各样的其他工业和应用，作为非限制性例子，包括航空航天部件、消费品、设备、建筑物(例如房屋、办公室、棚和仓库)、办公设备和家具、以及工业设备机械、农业或农场设备、或重型机械。此外，尽管所示例子包括单个阴极和单个阳极，但本领域技术人员将认识到，本申请的教导推广到各种其它配置，包括具有一个或多个阴极和一个或多个阳极、以及各种集流体(具有设置在其一个或多个表面上或与其毗邻设置的电活性层)的那些。
电池组20包括负电极组装件52(例如阳极)、正电极组装件54(例如阴极)以及设置在负电极组装件52和正电极组装件54之间的隔离件26。负电极组装件52可以包括集流体32和负极电活性材料层22。正电极组装件54可以包括集流体34和正极电活性材料层24。隔离件26在负极电活性材料层22和正极电活性材料层24之间提供电隔离—防止物理接触。在锂离子的循环过程中，隔离件26还为锂离子(并且在某些情况中相关阴离子)的内部通行提供最小阻力路径。在各个方面中，隔离件26包含电解质30，在某些方面中，该电解质30也可以存在于负极电活性材料层22和正极电活性材料层24中。在某些变型中，隔离件26可以是固态电解质。例如，隔离件26可以由多个固态电解质粒子(未显示)限定。
负电极集流体32可位于负极电活性材料层22处或附近。负电极集流体32可以是金属箔、金属格栅或筛网、或网形金属(expanded metal)，包含铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料。正电极集流体34可位于正极电活性材料层24处或附近。正电极集流体34可以是金属箔、金属格栅或筛网、或网形金属，包含铝或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料。负电极集流体32和正电极集流体34分别将自由电子收集和移动到外部电路40并从外部电路40收集和移动自由电子。例如，可中断的外部电路40和负载设备42可连接负电极组装件52(通过负电极集流体32)和正电极组装件54(通过正电极集流体34)。
电池组20可以在放电过程中通过当外部电路40闭合(以连接负电极组装件52和正电极组装件54)并且负极电活性材料层22具有比正极电活性材料层24低的电势时发生的可逆电化学反应来产生电流。正极电活性材料层24和负极电活性材料层22之间的化学电势差将在负电极组装件52处通过反应(例如嵌入锂的氧化)产生的电子通过外部电路40向正电极组装件54驱动。同样在负电极组装件52处产生的锂离子同时通过包含在隔离件26中的电解质30向正电极组装件54转移。电子流过外部电路40并且锂离子迁移穿过含有电解质30的隔离件26以在正电极组装件54处形成嵌入锂。如上所述，电解质30通常也存在于负电极组装件52和正电极组装件54中。通过外部电路40的电流可以被控制并引导通过负载设备42，直到负电极组装件52中的锂被耗尽并且电池组20的容量减少。
可以在任何时间通过将外部电源连接到锂离子电池组20以逆转电池组放电过程中发生的电化学反应来给电池组20充电或重新赋能。将外部电能源连接到电池组20促进正电极24处的反应，例如嵌入锂的非自发氧化，使得产生电子和锂离子。锂离子通过电解质30穿过隔离件26向负电极组装件52流回，以向负电极组装件52补充锂(例如嵌入锂或锂金属或锂金属合金)以在下一次电池组放电事件过程中使用。如此，一个完整放电事件接着一个完整充电事件被认为是一个循环，其中锂离子在正电极组装件54和负电极组装件52之间循环。可用于给电池组20充电的外部电源可根据电池组20的尺寸、构造和特定最终用途而变化。一些值得注意的和示例性的外部电源包括但不限于通过壁装插座连接到AC电网的AC-DC转换器和机动车辆交流发电机。
在许多锂离子电池组配置中，负电极集流体32、负极电活性材料层22、隔离件26、正极电活性材料层24和正电极集流体34中的每一个都制备为相对薄的层(例如从几微米到几分之一毫米或更薄的厚度)并以电并联布置连接的层组装，以提供合适的电能和功率封装。在各个方面中，电池组20还可以包括虽然在此没有描绘但是却为本领域技术人员所知的各种其它组件。例如，电池组20可包括外壳、垫片、端帽、极耳、电池组端子和可位于电池组20内(包括在负电极组装件52、正电极组装件54和/或隔离件26之间或周围)的任何其它常规组件或材料。图1中所示的电池组20包含液体电解质30并示出了电池组运行的代表性概念。然而，本技术也适用于包括固态电解质和/或固态电活性粒子的固态电池组，其如本领域技术人员已知的那样可具有不同的设计。
如上所述，所述电池组20的尺寸和形状可以根据其所设计用于的特定应用而变化。电池组供电的交通工具和手持式消费电子设备例如是其中所述电池组20将最有可能被设计为不同的尺寸、容量和功率输出规格的两个例子。所述电池组20也可以与其它类似的锂离子电池或电池组串联或并联连接以产生更大的电压输出、能量和功率(如果负载设备42需要的话)。因此，所述电池组20可以向负载设备42生成电流，所述负载设备42是外部电路40的一部分。所述负载设备42可以由当电池组20放电时通过外部电路40的电流来供电。虽然所述电负载设备42可以是任何数量的已知电驱动设备，但一些具体例子包括用于电动交通工具的电动机、笔记本电脑、平板电脑、移动电话和无绳电动工具或器具。所述负载设备42也可以是为了存储电能而对电池组20进行充电的发电装置。
重新参考图1，正电极组装件54、负电极组装件52和隔离件26可各自在它们的孔隙内包含能在负电极组装件52和正电极组装件54之间传导锂离子(或钠离子或钾离子或镁离子等等)的电解质溶液或体系30。可以在锂离子电池组20中使用能在负电极组装件52和正电极组装件54之间传导锂离子的任何合适的电解质30，无论是固体、液体或凝胶形式。在某些方面中，电解质30可以是非水性液体电解质溶液(例如，>1M)，其包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐。在某些情况中，电解质30还可以包含一种或多种添加剂，例如碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)等。许多常规的非水性液体电解质30溶液可用于锂离子电池组20中。
在某些方面中，电解质30可以是非水性液体电解质溶液，其包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的一种或多种锂盐。所述锂盐可以包括与一种或多种阴离子偶合的一种或多种阳离子。所述阳离子可以选自Li+、Na+、K+、Al3+、Mg2+等。所述阴离子可以选自PF6-、BF4-、TFSI-、FSI-、CF3SO3 -、(C2F5S2O2)N-等。例如，可以溶解在有机溶剂中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氯铝酸锂(LiAlCl4)、碘化锂(LiI)、溴化锂(LiBr)、硫氰酸锂(LiSCN)、四氟硼酸锂(LiBF4)、四苯基硼酸锂(LiB(C6H5)4)、双(草酸)硼酸锂(LiB(C2O4)2) (LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiBF2(C2O4))、六氟砷酸锂(LiAsF6)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiN(FSO2)2) (LiSFI)及其组合。
这些和其它类似的锂盐可溶解于各种非水性非质子有机溶剂中，包括但不限于各种碳酸烷基酯，例如环状碳酸酯(例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC))，直链碳酸酯(例如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC))，脂族羧酸酯(例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)，γ-内酯(例如γ-丁内酯、γ-戊内酯)，链结构醚(例如1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)，环醚(例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环)，硫化合物(例如环丁砜)，及其组合。
在某些情况中，多孔隔离件26可包括含有聚烯烃的微孔聚合物隔离件。所述聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体成分)或杂聚物(衍生自多于一种单体成分)，其可以是直链或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，则所述聚烯烃可以呈现任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果所述聚烯烃是衍生自多于两种单体成分的杂聚物，其同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面中，所述聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、或聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的共混物，或PE和/或PP的多层结构化多孔膜。市售可得的聚烯烃多孔隔离件膜26包括可获自Celgard LLC的CELGARD® 2500(一种单层聚丙烯隔离件)和CELGARD® 2320(一种三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离件)。
在某些方面中，隔离件26可以进一步包括陶瓷涂层和耐热材料涂层中的一种或多种。所述陶瓷涂层和/或耐热材料涂层可以设置在隔离件26的一侧或多侧上。形成陶瓷层的材料可以选自：氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)及其组合。所述耐热材料可以选自：Nomex、Aramid及其组合。
当所述隔离件26是微孔聚合物隔离件时，其可以是单个层或多层层压材料，其可以由干法或湿法制造。例如，在某些情况中，所述聚烯烃的单个层可以形成整个隔离件26。在其它方面中，所述隔离件26可以是具有在相对表面之间延伸的大量孔隙的纤维膜并可以具有例如小于1毫米的平均厚度。但是，作为另一例子，可以组装相同或不相同的聚烯烃的多个离散层以形成所述微孔聚合物隔离件26。隔离件26还可以包含除了所述聚烯烃之外的其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚(酰胺-酰亚胺)共聚物、聚醚酰亚胺和/或纤维素，或适于产生所需多孔结构的任何其它材料。所述聚烯烃层和任何其它任选的聚合物层可作为纤维层进一步包括在隔离件26中，以帮助提供具有合适的结构和孔隙率特性的隔离件26。在某些方面中，隔离件26也可与陶瓷材料混合，或者其表面可涂覆陶瓷材料。例如，陶瓷涂层可包含氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或其组合。考虑了用于形成隔离件26的各种常规可获得的聚合物和商业产品，以及可用于生产这种微孔聚合物隔离件26的许多制造方法。隔离件26可以具有大于或等于约1µm至小于或等于约50µm，并且在某些情况中，任选地大于或等于约1µm至小于或等于约20µm的厚度。
在各个方面中，可以用用作电解质和隔离件两者的固态电解质("SSE")(未示出)代替图1中的多孔隔离件26和设置在多孔隔离件26中的电解质30。所述固态电解质可以设置在正电极组装件54和负电极组装件52之间。例如，在正极电活性材料层24和负极电活性材料层22之间。所述固态电解质促进锂离子的转移，同时在负电极组装件52和正电极组装件24之间机械隔离和提供电绝缘。作为非限制性例子，固态电解质可以包括多个固态电解质粒子，例如LiTi2(PO4)3、LiGe2(PO4)3、Li7La3Zr2O12、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3PO4、Li3N、Li4GeS4、Li10GeP2S12、Li2S-P2S5、Li6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li3OCl、Li2.99Ba0.005ClO或其组合。所述固态电解质粒子可以是纳米尺寸的基于氧化物的固态电解质粒子。在又其他变型中，可以用凝胶电解质代替图1中的多孔隔离件26和电解质30。
正电极组装件54可以包括集流体34和正极电活性材料层24。正极电活性材料层24可以由锂基活性材料(或钠离子电池组情况下的钠基活性材料，或钾离子电池组情况下的钾基活性材料，或镁离子电池组情况下的镁基活性材料等等)形成，该锂基活性材料能够进行锂嵌入和脱嵌、合金化和脱合金化、转化反应、或镀覆和剥离，同时用作电池组20的正极端子。例如，正极电活性材料层24可以由布置在一个或多个层中的多个电活性材料粒子(未示出)来限定，以限定正极电活性材料层24的三维结构。电解质30可以例如在电池组装之后引入，并且包含在正极电活性材料层24的孔隙(未示出)内。在某些变型中，正极电活性材料层24可以包括多个电解质粒子(未示出)。在每种情况中，正极电活性材料层24(包括一个或多个层)可以具有大于或等于约1µm至小于或等于约1,000µm的厚度。
可用于形成正极电活性材料层24的一种示例性常见类别的已知电活性材料是层状锂过渡金属氧化物。例如，在某些方面中，正极电活性材料层24可以包括具有尖晶石结构的一种或多种材料，例如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn2O4，其中0.1≤x≤1)、锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4，其中0≤x≤0.5) (例如LiMn1.5Ni0.5O4)；具有层状结构的一种或多种材料，例如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍锰钴氧化物(Li(NixMnyCoz)O2，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z=1) (例如LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2)、或锂镍钴金属氧化物(LiNi(1-x-y)CoxMyO2，其中0<x<0.2，y<0.2，并且M可以是Al、Mg、Ti等)；或具有橄榄石结构的锂铁聚阴离子氧化物，例如磷酸锂铁(LiFePO4)、磷酸锂锰铁(LiMn2-xFexPO4，其中0<x<0.5)、或氟代磷酸锂铁(Li2FePO4F)。
在某些其它方面中，正极电活性材料层24可以包括一种或多种高电压氧化物(例如LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoPO4)、一种或多种岩盐层状氧化物(例如LiCoO2、LiNixMnyCo1-x-yO2(其中0≤x≤1，0≤y≤1)、LiNixCOyAl1-x-yO2(其中0≤x≤1，0≤y≤1)、LiNixMn1-xO2(其中0≤x≤1)、Li1+xMO2(其中0≤x≤2并且其中M是指选自Mn、Ni、Co等的金属元素)、一种或多种聚阴离子(例如LiV2(PO4)3)，以及其它类似的锂过渡金属氧化物。所述正极电活性材料也可以被表面涂覆和/或掺杂。例如，所述正极电活性材料可以包括LiNbO3涂覆的LiNi0.5Mn1.5O4。
在每种情况中，所述正极电活性材料可以任选地与提供电子传导路径的电子传导材料和/或改善电极结构完整性的至少一种聚合物粘合剂材料混合。例如，所述正极电活性材料和电子传导或导电材料可以用这样的粘合剂进行浆料浇注(slurry cast)，所述粘合剂例如聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶或羧甲基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、藻酸钠、或藻酸锂。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如石墨、乙炔黑(例如KETCHENTM 黑或DENKATM黑或SuperPTM)、碳纤维和纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等的粒子。导电聚合物的例子包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面中，可以使用导电材料的混合物。
例如，正极电活性材料层24可以包含大于或等于约30重量%至小于或等于约98重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约50重量%至小于或等于约95重量%的所述正极电活性材料；大于或等于约0重量％至小于或等于约30重量％，并且在某些方面中，任选地大于或等于约5重量％至小于或等于约20重量％的一种或多种导电材料；以及大于或等于约0重量％至小于或等于约20重量％，并且在某些方面中，任选地大于或等于约5重量％至小于或等于约15重量％的一种或多种粘合剂。
负电极组装件54可以包括集流体32和负极电活性材料层22。负极电活性材料层22可以由能够用作离子电池组的负极端子的锂主体材料(或钠离子电池组情况下的钠主体材料，或钾离子电池组情况下的钾主体材料，或镁离子电池组情况下的镁主体材料等等)形成。例如，负极电活性材料层22可以包含能够用作电池组20的负极端子的锂主体材料(例如负极电活性材料)。在各个方面中，负极电活性材料层22可以由多个负极电活性材料粒子(未示出)限定。这样的负极电活性材料粒子可以设置在一个或多个层中，以限定负极电活性材料层22的三维结构。电解质30可以例如在电池组装之后引入，并且包含在负极电活性材料层22的孔隙(未示出)内。在某些变型中，负极电活性材料层22可以包括多个电解质粒子(未示出)。负极电活性材料层22(包括一个或多个层)可具有大于或等于约1µm至小于或等于约2,000µm，并且在某些方面中，任选地大于或等于约10µm至小于或等于约1,000µm的厚度。
负极电活性材料层22可以包括包含锂的负极电活性材料，例如锂金属。在某些变型中，负极电活性材料层22可以是由锂金属或锂金属合金形成的膜或层。也可以使用其它材料，例如在某些变型中与锂金属和/或锂金属合金组合以形成负电极，包括例如其它金属材料，例如镁(Mg)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)等。在某些变型中，还可以使用进一步的其它材料，例如在某些变型中与锂金属和/或锂金属合金组合以形成负极电活性材料层22，包括例如碳质材料(例如石墨、硬碳、软碳)和/或锂-硅、含硅的二元和三元合金、和/或含锡合金(例如Si、Li-Si、SiOx(其中0≤x≤2)、Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2等)。例如，在某些变型中，负极电活性材料层22可以是硅基阳极。这样的硅基阳极可以具有小于或等于约10µm的厚度。
在每种情况中，负极电活性材料层22中的负极电活性材料可以任选地与提供电子传导路径的一种或多种导电材料和/或改善负电极22的结构完整性的至少一种聚合物粘合剂材料混合。例如，负电极22中的负极电活性材料可以任选地与粘合剂混合，所述粘合剂例如聚酰亚胺、聚酰胺酸、聚酰胺、聚砜、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、或羧甲基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、藻酸钠、或藻酸锂。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如石墨、乙炔黑(例如KETCHENTM黑或DENKATM黑)、碳纤维和纳米管、石墨烯等的粒子。导电聚合物的例子包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面中，可以使用导电材料的混合物。
负极电活性材料层22可以包含大于或等于约10重量%至小于或等于约99重量%的所述电活性材料，大于或等于约0重量%至小于或等于约20重量%的所述电子传导材料，以及大于或等于约0重量%至小于或等于约20重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约20重量％的所述至少一种聚合物粘合剂。在某些变型中，负电极22也可以包括大于或等于约0重量％至小于或等于约89重量％的石墨活性材料。
在各个方面中，固体电解质界面(SEI)层可以在负极电活性材料层(例如如图1中所示的负极电活性材料层22)、或正极电活性材料层(例如如图1中所示的正极电活性材料层24)、和隔离件和/或电解质(例如如图1中所示的隔离件20和/或电解质30)上或之间形成。在每种情况中，所述固体电解质界面层可以为负极电活性材料层和/或正极电活性材料层提供保护。然而，当固体电解质界面层变得太厚或物理退化时，其可变得对电池性能有害。固体电解质界面层常常导致连续的电解质消耗和锂离子损失，这可导致锂离子电池组中的不可逆的容量衰减。例如，在循环过程中固体电解质界面层中任何破裂或弯曲的发生都会导致固体电解质界面层来重新形成，例如在新的界面处，这会导致额外的电解质和锂的消耗。
根据各个方面，本公开提供了一种用于有利地控制在负极电活性材料层(例如如图1中所示的负极电活性材料层22)、或正极电活性材料层(例如如图1中所示的正极电活性材料层24)、和隔离件和/或电解质(例如如图1中所示的隔离件20和/或电解质30)之间固体电解质界面层的形成的方式。例如，图2A图示了具有负电极集流体132(例如如图1中所示的负极集流体32)的示例性负电极组装件100，负电极集流体132包括多个不同的前体结构140，所述前体结构140被配置为形成用于固体电解质界面层150的连接点(例如固定点)，无论固体电解质界面层150是原位形成的或形成为人造保护层。
如图所示，不同的前体结构140中的每一个可以至少部分地延伸穿过电活性材料层122的至少一部分。前体结构140可以具有比电活性材料层122的平均带电(charged)高度或厚度高大于或等于约20%至小于或等于约400%的平均高度或厚度。例如，电活性材料层122可以具有大于或等于约10µm至小于或等于约200µm的初始高度或厚度，并且前体结构140可以具有大于或等于约1µm至小于或等于约500µm，并且在某些方面中，任选地大于或等于约5µm至小于或等于约500µm的平均高度或厚度。在每种情况中，前体结构140中的每一个的至少一部分可自由用于与固体电解质界面层150形成连接。在某些变型中，如图所示，前体结构140的一部分可以部分地延伸超出电活性材料层122的暴露表面。
前体结构140可以使用与集流体132几乎没有或没有电导率的材料形成。例如，形成前体结构140的材料可以具有小于电解质的离子电导率的离子电导率。在典型的电池组运行温度下，所述非导电材料可以具有小于约10-4S/cm，并且在某些方面中，任选地小于约10-5S/cm的离子电导率。限制前体结构140的电导率可以帮助防止前体结构140从集流体132脱离，同时提供与固体电解质界面层150的牢固连接以防止循环过程中的机械剥离。在各个方面中，前体结构140可以包含能够在与锂金属反应时产生作为分解产物的氟化锂(LiF)的含氟材料(fluoride-containing materials)。例如，表面结构140可以包含聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)或全氟有机硅氧烷等。
在每种情况中，如图2B中所示，前体结构140可以与固体电解质界面层150形成化学连接。例如，可在形成电活性材料层122的负电极材料(例如锂材料)和前体结构140(例如聚偏二氟乙烯(PVdF))之间发生反应，以形成氟化锂和其它分解产物(即反应副产物)，所述氟化锂和其它分解产物形成连接集流体132和固体电解质界面层150的表面结构142。
化学连接(即表面结构142)可以限制固体电解质界面层150的自由移动(例如挠曲)。通过限制固体电解质界面层150的移动，表面结构142提供了机械方式以控制固体电解质界面层150在电活性材料层122(例如锂金属)上、或在电活性材料层122与隔离件和/或电解质(未示出)之间的界面处的生长和微观结构，而不使用添加剂和改变循环倍率。例如，表面结构142可以帮助减少或防止固体电解质界面层150的过早断裂或退化。更具体地，可以选择前体结构140以及因此形成的表面结构142的位置以选择性地产生锂镀覆或剥离的区域和/或通过产生具有不同于表面结构142的热导率和机械刚度的结构(例如锂通道、环、圆或其它形状)来在循环过程中控制其它热和机械性能。
固体电解质界面层150可以是基本连续的涂层或层。例如，固体电解质界面层150可以覆盖表面结构142的暴露表面和电活性材料层122的暴露表面的大于或等于约90％、任选地大于或等于约92％、任选地大于或等于约95％、任选地大于或等于约97％、任选地大于或等于约98%、任选地大于或等于约99%，或在某些方面中，任选地大于或等于约99.5%。固体电解质界面层150可以具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约400µm的平均高度或厚度。
固体电解质界面层150可以包含例如碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯和其它类似的无机或有机化合物。在某些变型中，固体电解质界面层150是原位形成的并且其组成将取决于所选择的电池组材料(包括例如电解质和添加剂)以及循环和热历史。在其它变型中，固体电解质界面层150可以是人造保护层，其在电池组装之前施加在表面结构140的暴露表面和电活性材料层122的暴露表面上或与其毗邻施加。
如图2C-2E中所示，在各个方面中，前体结构140以及因此表面结构142可以是大致圆形的横截面形状。前体结构140可以具有例如基本为圆柱形或者在某些变型中为纤维状的三维结构。然而，本领域技术人员将理解，在各个方面中，前体结构140可以采取其它形式。仅举例而言，在某些变型中，前体结构140可具有其它横截面形状，例如大致椭圆形形状、大致三角形形状、大致梯形形状、大致线形形状、大致片形形状(flap shape)等。
前体结构140以及因此表面结构142可以在集流体132的表面上形成多种图案。例如，如图2C中所示，在某些变型中，前体结构140可以设置成在集流体132的表面130上形成多个线性行134。在其它变型中，如图2D中所示，前体结构140可以设置成在集流体132的表面130上形成多个窄通道136。在再其它变型中，如图2E中所示，前体结构140可以以螺旋图案设置在集流体132的表面130上。本领域技术人员将理解，尽管没有具体图示说明，前体结构140可以设置在集流体132的表面130上以形成各种其它图案。例如，在各个方面中，前体结构140可以形成格栅、通道组、环或其它介观结构(mesoscale structures)。
可以基于期望的剥离或镀覆电流密度、应力或应变优化、热导率或电导率控制等来选择图案。创建不同的图案可以减少可用的面积或体积，使得允许采用工程化手段来引导电池内的离子电流。例如，更大的面积或体积密度可以形成在电池中的预定区域中，例如，如图2D中所示前体结构140被设置以形成多个窄通道136的位置。不同的图案还允许通过例如在电池组在运行过程中可能挠曲的位置创建一组折线或创建金属通道以在一个方向有效地引导热流来在循环过程中控制弯曲和/或热流。此外，不同的图案可以允许创建适合不同的运行条件的不同区域，包括例如对于快速充电具有改进的鲁棒性的区域。在快速充电过程中，电解质或其它组分的动力学限制可决定电池内如何驱动镀覆或剥离行为，并且可以选择图案设计以创建可用于将电流引导至电池内的期望区域的部分地、物理地分隔的区域。那些区域可以具有附加的用于固体电解质界面层150的支持以防止退化、热通道以控制热量、或面积和体积调整以适应以期望配置镀覆锂的动力学。
在每种情况中，前体结构140可以具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。前体结构140可以覆盖集流体132的表面130的总表面积的大于或等于约1%至小于或等于约50%。
在再其它变型中，如图3中所示，中间层240可以设置在集流体232和电活性材料层222之间。中间层240可以是基本连续的层或涂层，其具有大于或等于约0.001µm至小于或等于约20µm的厚度，并且覆盖集流体232的第一表面的大于或等于约90％，任选地大于或等于约92%，任选地大于或等于约95%，任选地大于或等于约97%，任选地大于或等于约98%，任选地大于或等于约99%，或在某些方面中，任选地大于或等于约99.5%。
中间层240可以是用于固体电解质界面层250的连接层，通过在固体电解质界面层250下方锂成核的形成来促进。在某些变型中，中间层240可以是碳涂层。在其它变型中，中间层240可以是相对于锂金属或其它电池组分而具有足够惰性的材料的物理成核位点。在再其它变型中，中间层240可以是金属涂层，包括例如铂或金。在每种情况中，中间层240可以使得某些材料例如含氟有机材料(例如全氟有机硅氧烷前体)和/或含硼有机材料能够粘附到集流体和/或改善锂金属到集流体上的镀覆或从集流体的剥离。
在各个方面中，本公开提供了一种用于在集流体的表面上或表面处形成多个表面结构(例如如图2A-2E中所示)和/或在集流体表面上或表面处形成连接层(例如如图3中所示)的方法；以及一种用于连接集流体和固体电解质界面层的方法。在每种情况中，所述表面结构或连接层可直接设置在集流体的表面上或与其毗邻设置，例如仅使用气相沉积工艺、辊工艺等。在这样的情况中，电活性材料层(例如锂金属)可以设置在集流体的暴露表面和/或所述表面结构或连接层上或与它们毗邻设置。例如，在某些变型中，所述表面结构或连接层的前体可以设置在集流体的表面上或与其毗邻设置，并且电活性材料层可以随后设置在集流体的暴露表面和/或所述前体上或与它们毗邻设置，并且一旦所述电活性材料层和前体反应就可以形成所述表面结构或连接层。
一旦所述表面结构或连接层形成，固体电解质界面层就可以形成在电活性材料层(例如锂金属)上或与其毗邻形成，或者形成在电活性材料层与隔离件和/或电解质之间的界面处。在某些变型中，所述固体电解质界面层可以是人造保护层，其设置在所述表面结构或连接层上或与其毗邻设置，例如仅使用气相沉积工艺、辊工艺等。在其它变型中，所述固体电解质界面层可以是在电池调节或循环过程中形成的天然固体电解质界面层。在这样的情况中，电池还可包括有助于形成具有期望组成、密度、组成等的固体电解质界面层的电解质添加剂(例如氟化材料)。
已经为了说明和描述提供了实施方案的上述描述。其无意是穷举性的或限制本公开。一个特定实施方案的单独要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用时可互换并可用于选择的实施方案中，即使没有明确展示或描述。其也可以以许多方式改变。此类变动不被视为背离本公开，并且所有这样的修改都意在包括在本公开的范围内。
本申请可以包括以下技术方案。
1. 一种电化学电池，其包括：
导电材料层；
前体材料，所述前体材料设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置，其中所述非导电材料具有小于约10-4S/cm的离子电导率；和
电活性材料层，所述电活性材料层设置在所述前体材料上或与其毗邻设置。
2. 根据方案1所述的电化学电池，其中所述前体材料设置在所述导电材料的第一表面上或与其毗邻设置，以形成具有大于或等于约0.001µm至小于或等于约20µm的平均厚度的基本连续的层。
3. 根据方案1所述的电化学电池，还包括：
固体电解质界面层，所述固体电解质界面层设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置。
4. 根据方案1所述的电化学电池，其中所述固体电解质界面层包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
5. 根据方案1所述的电化学电池，其中所述前体材料设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置，以形成以预定图案设置在所述导电材料层的所述第一表面上的多个不同的前体结构。
6. 根据方案5所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的至少一部分不受所述电活性材料层的阻挡。
7. 根据方案5所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的至少一部分延伸穿过所述电活性材料层。
8. 根据方案5所述的电化学电池，其中所述不同的前体结构覆盖所述导电材料层的所述第一表面的总表面积的大于或等于约1%至小于或等于约50%，并且
其中所述不同的前体结构具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。
9. 根据方案5所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的平均高度比所述电活性材料层的平均厚度高大于或等于约20％至小于或等于约400％。
10. 根据方案5所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的平均高度大于约1µm至小于或等于约500µm，并且
其中所述电活性材料层具有大于约10µm至小于或等于约200µm的初始厚度。
11. 根据方案5所述的电化学电池，还包括：
固体电解质界面层，所述固体电解质界面层设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置并接触所述不同的前体结构中的每一个，其中所述不同的前体结构被配置为形成化学连接所述固体电解质界面层和所述导电材料层的表面结构。
12. 根据方案11所述的电化学电池，其中所述固体电解质界面层包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
13. 根据方案1所述的电化学电池，其中所述前体材料包括选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷及其组合。
14. 一种电化学电池，其包括：
导电材料层；
多个不同的前体结构，所述多个不同的前体结构以预定图案设置在所述导电材料层的第一表面上，其中所述不同的前体结构覆盖所述导电材料层的所述第一表面的总表面积的大于或等于约1%至小于或等于约50%，并且所述不同的前体结构具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距；和
电活性材料层，所述电活性材料层设置在所述前体材料上或与其毗邻设置，使得每个不同的前体结构的至少一部分不受所述电活性材料层的阻挡。
15. 根据方案14所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的至少一部分延伸穿过所述电活性材料层。
16. 根据方案14所述的电化学电池，还包括：
固体电解质界面层，所述固体电解质界面层设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置并接触所述不同的前体结构中的每一个，其中所述不同的前体结构被配置为形成化学连接所述固体电解质界面层和所述导电材料层的表面结构。
17. 根据方案14所述的电化学电池，其中所述固体电解质界面层包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合；和
其中所述不同的前体结构中的每一个包含选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷及其组合。
18. 一种电化学电池，其包括：
导电材料层；
电活性材料层，所述电活性材料层设置在所述导电材料层的暴露表面上或与其毗邻设置；
固体电解质界面层，所述固体电解质界面层设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置；和
多个不同的表面结构，所述多个不同的表面结构可穿过所述电活性材料层自由获得并化学连接所述导电材料层的第一表面和所述固体电解质界面层。
19. 根据方案18所述的电化学电池，其中所述多个表面结构包含氟化锂(LiF)，并且
其中所述固体电解质界面层包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
20. 根据方案18所述的电化学电池，其中所述不同的表面结构覆盖所述导电材料层的所述第一表面的总表面积的大于或等于约1%至小于或等于约50%，并且
其中所述不同的表面结构具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。

Claims (10)

1.一种电化学电池，其包括：
导电材料层；
前体材料，所述前体材料设置在所述导电材料层的第一表面上或与其毗邻设置，其中所述非导电材料具有小于约10-4S/cm的离子电导率；和
电活性材料层，所述电活性材料层设置在所述前体材料上或与其毗邻设置。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述前体材料设置在所述导电材料的所述第一表面上或与其毗邻设置，以形成具有大于或等于约0.001µm至小于或等于约20µm的平均厚度的基本连续的层。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，还包括：
固体电解质界面层，所述固体电解质界面层设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置，其中所述固体电解质界面层包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述前体材料设置在所述导电材料层的所述第一表面上或与其毗邻设置，以形成以预定图案设置在所述导电材料层的所述第一表面上的多个不同的前体结构。
5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的至少一部分不受所述电活性材料层的阻挡。
6.根据权利要求4所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的至少一部分延伸穿过所述电活性材料层。
7.根据权利要求4所述的电化学电池，其中所述不同的前体结构覆盖所述导电材料层的所述第一表面的总表面积的大于或等于约1%至小于或等于约50%，并且
其中所述不同的前体结构具有大于或等于约0.1µm至小于或等于约50µm的平均间距。
8.根据权利要求4所述的电化学电池，其中每个不同的前体结构的平均高度比所述电活性材料层的平均厚度高大于或等于约20％至小于或等于约400％。
9.根据权利要求4所述的电化学电池，还包括：
固体电解质界面层，所述固体电解质界面层设置在所述电活性材料层的暴露表面上或与其毗邻设置并接触所述不同的前体结构中的每一个，其中所述不同的前体结构被配置为形成化学连接所述固体电解质界面层和所述导电材料层的表面结构，其中所述固体电解质界面层包含选自以下的一种或多种材料：碳酸锂(Li2CO3)、过氧化锂(Li2O2)、氢氧化锂(LiOH)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氮化锂(Li3N)、聚烯烃、半碳酸酯及其组合。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述前体材料包括选自以下的一种或多种材料：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化锂(LiF)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、全氟有机硅氧烷及其组合。
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