CN116711087A - 制造阳极结构的方法、真空沉积系统、阳极结构及锂电池层堆叠 - Google Patents

制造阳极结构的方法、真空沉积系统、阳极结构及锂电池层堆叠 Download PDF

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Abstract

描述了一种制造用于锂电池的阳极结构(10)的方法。方法包括以下步骤：在第一柔性支撑件(21)上的锂的第一沉积，以提供具有第一锂表面(31)的锂阳极－第一子层(12‑1)；在第二柔性支撑件(22)上的锂的第二沉积，以提供具有第二锂表面(32)的锂阳极－第二子层(12‑2)；通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起，将锂阳极－第一子层(12‑1)和锂阳极－第二子层(12‑2)结合，以形成锂金属阳极层(12)。进一步描述了具有根据所述方法制造的阳极结构的锂电池层堆叠，以及用于制造如于此所述的阳极结构的真空沉积系统。

Description

制造阳极结构的方法、真空沉积系统、阳极结构及锂电池层 堆叠
技术领域
本公开内容的实施方式涉及用于锂电池(特别是使用金属锂层作为阳极的锂电池)的阳极结构的制造方法。具体而言，于此所述的方法涉及制造具有锂金属阳极和固态电解质(SSE)层的固态锂电池的方法。本公开内容的实施方式进一步涉及用于锂电池的阳极结构，以及涉及包括所述阳极结构的锂电池层堆叠。进一步的实施方式涉及用于制造锂电池的阳极结构的真空沉积系统。具体地，于此所述的真空沉积系统可为卷对卷(roll toroll)真空沉积系统，配置用于在柔性支撑层上蒸发锂。
背景
电化学储存系统目前在日常生活的许多领域中变得越来越有价值。大容量电化学能量储存装置(诸如锂电池，特别是锂离子(Li-ion)电池和锂金属电池)在越来越多的应用中使用，包括可携式电子装置、医疗、交通、并网(grid-connected)大能源储存、可再生能源储存和不间断电源(UPS)。传统的铅/硫酸电池通常缺乏容量，并且通常不能充分循环用于这些应用。锂电池被认为是更好的解决方案。
通常，锂离子电池未含有任何金属锂，而是使用石墨材料作为阳极。然而，与使用金属锂相比，使用石墨导致较低的容量。目前，产业正在从基于石墨的阳极转向硅混合石墨，以提高能量密度。然而，硅混合石墨阳极遭受首次循环容量损失，这可通过锂金属沉积来减少，以补充硅混合石墨阳极的首次循环容量损失。首次循环损失也是Si阳极的一个问题，但可通过在循环前添加额外的锂(所谓的预锂化)来补偿。另一个问题是膨胀(即充电/放电期间的体积膨胀(高达400％))需要解决。
另一种方式涉及使用锂金属阳极(即金属锂层)作为阳极的锂金属电池。纯锂金属阳极的能量密度明显高于包含石墨或硅的阳极的能量密度。然而，由于多个原因，锂金属阳极的制造具有挑战性。
锂是碱金属。与第一主族的重元素同系物(homolog)一样，锂的特征在于与多种物质的强反应性。锂与水、酒精和其他含有质子氢的物质发生剧烈反应，通常会导致点燃。锂在空气中不稳定，并且会与氧气、氮气和二氧化碳发生反应。锂通常在惰性气体气氛(稀有气体，诸如氩气)下处理，且锂的强反应性使得其他处理操作也必须在惰性气体气氛中执行。此外，需要注意的是，锂在水的存在下会剧烈反应。当没有水存在时，例如在干燥的房间中，与O2、N2和其他气体的反应在室温下很慢。因此，从安全的观点来说，当在干燥的气氛中处理时是没有问题的。然而，在待集成到电池中的锂表面上仍可能发生一些非期望的反应。因此，锂在处理、储存和运输方面面临诸多挑战。
为了避免锂金属层与(如，在空气中的)周围分子反应，在进一步处理和集成到电池结构之前，锂金属层的锂表面通常被钝化或以其他方式(如，由保护层或界面层)保护。例如，在支撑层上沉积锂金属层后，可用保护层保护金属锂层的暴露锂表面，且阳极结构可接着通过在保护层上设置其他层来进一步处理和/或在空气中处理。然而，金属锂层上的保护层或钝化层会对完成的锂电池的电流传输和/或能量密度产生负面影响。
因此，提供解决至少一些上面提及的问题的用于制造锂电池的阳极结构的改进方法将是有益的。特别地，提供具有锂金属阳极层的锂电池层堆叠以制造能够实现高能量密度的紧密锂电池将是有益的。此外，提供用于制造锂电池的阳极结构的改进真空沉积系统将是有益的。
发明内容
有鉴于此，提供了一种根据独立权利要求的用于锂电池的阳极结构的制造方法、阳极结构、锂电池层堆叠和真空沉积系统。从从属权利要求、说明书和附随的附图中，进一步的方面、优点和特征是显而易见的。
根据本公开内容的一方面，提供了一种制造用于锂电池的阳极结构的方法。方法包括以下步骤：在第一柔性支撑件上的锂的第一沉积，以提供具有第一锂表面的锂阳极－第一子层；在第二柔性支撑件上的锂的第二沉积，以提供具有第二锂表面的锂阳极－第二子层；和通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起，将锂阳极－第一子层和锂阳极－第二子层结合，以形成锂金属阳极层。
在一些实施方式中，第一柔性支撑件可为阳极集流体，如，金属箔，诸如铜箔。在一些实施方式中，第二柔性支撑件可包括隔膜或固态电解质(SSE)层，锂阳极－第二子层直接沉积在隔膜或固态电解质(SSE)层上。
根据本公开内容的进一步的方面，提供了根据于此所述的任何方法制造的阳极结构。
根据进一步的方面，提供了一种锂电池层堆叠，特别地包括根据于此所述的任何实施方式的阳极结构。锂电池层堆叠包括阴极集流体、在阴极集流体上的阴极、在阴极集流体上的隔膜、在隔膜上的锂金属阳极层和在锂金属阳极层上的阳极集流体。锂金属阳极层是与阳极集流体和隔膜直接接触的纯锂膜。特别地，锂金属阳极层具有与阳极集流体直接接触的第一(原始)锂界面和与隔膜直接接触的第二(原始)锂界面。
隔膜可将阴极与构成阳极的锂金属阳极层电分离。电池层堆叠可填充有液体电解质。
在一些实施方式中，提供一种配置用于制造固态电池(SSB)的锂电池层堆叠。锂电池层堆叠包括阴极集流体、阴极集流体上的阴极、阴极集流体上的固态电解质层、固态电解质层上的锂金属阳极层和锂金属阳极层上的阳极集流体。锂金属阳极层是与阳极集流体和固态电解质层直接接触的纯锂膜。特别地，锂金属阳极层具有与阳极集流体直接接触的第一(原始)锂界面和与固态电解质(SSE)层直接接触的第二(原始)锂界面。
根据进一步的方面，提供了一种用于制造阳极结构的真空沉积系统，特别是根据于此所述的任何方法。真空沉积系统包括：第一锂沉积设备，用于在第一柔性支撑件上沉积具有第一锂表面的锂阳极－第一子层，特别是通过蒸发；第二锂沉积设备，用于在第二柔性支撑件上沉积具有第二锂表面的锂阳极－第二子层，特别是通过蒸发；和结合装置，用于通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起，将锂阳极－第一子层和锂阳极－第二子层结合，以形成锂金属阳极层。
实施方式还涉及用于执行所公开的方法的设备并且包括用于执行每个所述方法方面的设备部分。这些方法方面可通过硬件部件、由适当软件编程的计算器、通过两者的任何结合或以任何其他方式来执行。此外，根据本公开内容的实施方式还涉及用于操作所述设备的方法以及根据所述方法或由所述设备制造的产品。用于操作所述设备的方法包括用于实施设备的每个功能的方法方面。
附图简要说明
为了能够详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可通过参考实施方式获得以上简要概括的本公开内容的更具体的描述。附随的附图涉及本公开内容的实施方式，并且描述于下：
图1示意性地显示了根据于此所述的实施方式的制造阳极结构的方法；
图2示意性地显示了根据于此所述的进一步的实施方式的制造阳极结构的方法；
图3示意性地显示了根据于此所述的实施方式的制造阳极结构的方法；
图4显示了根据于此所述的实施方式的用于制造阳极结构的真空沉积系统的示意图；
图5显示了根据于此所述的实施方式的锂电池层堆叠的示意性截面图；和
图6是用于说明制造根据所述实施方式的阳极结构的方法的流程图。
实施方式的具体描述
现在将详细参考本公开内容的各种实施方式，附图中显示了其一个或多个示例。在以下附图的描述中，相同的附图标记指代相同的部件。仅描述了关于各个实施方式的差异。每个示例通过本公开内容的解释而提供的，并不意味作为本公开内容的限制。此外，作为一个实施方式的一部分显示或描述的特征可用于其他实施方式或与其他实施方式结合使用，以产生又进一步的实施方式。说明书旨在包括这样的修改和变化。
在本公开内容中，“阳极结构”可理解为包含用于锂电池的阳极的结构。特别地，根据本公开内容的“阳极结构”可理解为具有多层的层结构，也称为层堆叠，包括阳极电极层和布置在阳极电极层上方和/或下方的进一步的层。
在本公开内容中，“柔性支撑件”或“柔性基板”可理解为可弯曲的基板。术语“柔性支撑件”或“基板”可与术语“箔”或术语“卷材(web)”同义使用并且涵盖具有沉积在其上的一层或多层的箔。
在本公开内容中，“锂膜”或“锂层”可理解为包括锂为主要成分的层。特别地，锂层可由锂组成并且可具有90％或更多，特别是99％或更多，或甚至99.9％或更多的锂含量。提供为由锂组成的锂层的阳极(即由纯金属锂制成)由于与其他阳极类型相比锂金属阳极的重量和厚度较低，因此有利地提供了更高的能量密度。
图1示意性地显示了根据于此所述的实施方式制造用于锂电池的阳极结构10的方法。方法可在真空环境中用真空沉积系统进行，特别是在真空沉积系统的一个或多个真空腔室内侧。
方法包括通过蒸发在第一柔性支撑件21上的锂的第一沉积，以形成具有暴露的第一锂表面31的锂阳极－第一子层12-1。具体地，可在第一柔性支撑件21上用第一锂沉积设备105蒸发锂，以形成锂阳极－第一子层12-1。锂阳极－第一子层可为纯锂层(即，锂含量>99％，或甚至>99.9％的层)。具体地，锂阳极－第一子层12-1的锂含量可为90％或更高，特别是99％或更高，或甚至99.9％或更高。
由于第一沉积在真空沉积系统中在真空下进行，所以第一锂表面31是原始锂表面。特别地，基本上不存在可与第一锂表面31反应的分子，使得－只要锂阳极－第一子层12-1在真空沉积系统的真空环境中保留并进一步处理－就无需通过钝化或保护层来保护第一锂表面，以实现安全处理或运输。
方法进一步包括通过蒸发在第二柔性支撑件22上的锂的第二沉积，以形成具有暴露的第二锂表面32的锂阳极－第二子层12-2。具体地，可在第二柔性支撑件上用第二锂沉积设备106蒸发锂，以形成锂阳极－第二子层12-2。锂阳极－第二子层可为纯锂层。具体地，锂阳极－第二子层12-2的锂含量可为90％或更高，特别是99％或更高，或甚至99.9％或更高。
第二柔性支撑件22可包括隔膜或固态电解质(SSE)层，锂阳极－第二子层12-2直接沉积在隔膜或固态电解质(SSE)层上。
由于第二沉积在真空沉积系统中在真空下进行，所以第二锂表面32是原始锂表面。特别地，基本上不存在可与第二锂表面32反应的分子，使得－只要锂阳极－第二子层在真空沉积系统中保留并进一步处理－就无需通过钝化或保护层来保护第二锂表面，以确保安全处理或运输。
在一些实施方式中，第一柔性支撑件21和第二柔性支撑件22是柔性卷材基板，如，其上可选地设有一个或多个层的柔性箔，其沿着各自的卷材运输路径移动经过一个或多个锂蒸发器，特别是在卷对卷沉积系统中。具体地，第一柔性支撑件21从第一退绕辊退绕并由一个或多个引导辊移动经过一个或多个第一锂蒸发器，其中第一柔性支撑件21涂布有锂阳极－第一子层12-1。类似地，第二柔性支撑件22可从第二退绕辊退绕并由一个或多个引导辊移动经过一个或多个第二锂蒸发器，其中第二柔性支撑件22可涂布有锂阳极－第二子层12-2。
方法进一步包括通过将第一锂表面31和第二锂表面32压在一起来结合锂阳极－第一子层12-1和锂阳极－第二子层12-2，以形成锂金属阳极层12。具体地，其上沉积有锂阳极－第一子层12-1的第一柔性支撑件21与其上沉积有锂阳极－第二子层12-2的第二柔性支撑件22压在一起，以提供具有锂金属阳极层12(由两个锂子层12-1和12-2组成)夹在第一和第二柔性支撑件之间的结合层堆叠。结合可包括使锂阳极－第一子层12-1的第一锂表面31与锂阳极－第二子层12-2的第二锂表面32直接接触，以提供包含两个锂子层并形成锂金属阳极层12的一个(更厚的)锂层。在一些实施方式中，锂金属阳极层12包括堆叠在彼此顶部上的锂阳极－第一子层12-1和锂阳极－第二子层12-2，诸如以形成具有第一锂子层和第二锂子层的结合厚度的单个均匀锂层。
在一些实施方式中，第一沉积、第二沉积和结合在真空下连续进行，特别是在一个真空沉积系统内，以便避免在结合之前第一锂表面和第二锂表面的污染和/或反应。特别地，于此所述的方法可在彼此直接连接的真空沉积系统的几个真空腔室中进行，以提供连续的真空环境。在结合之后，锂金属阳极层12在其两个相对的主表面上分别受到第一柔性支撑件21和第二柔性支撑件22的保护，使得制成的阳极结构不再具有暴露的锂表面，并且可自真空取出。进一步地，在结合之后，第一锂表面31和第二锂表面32受到保护，被压在一起并保持直接面接触，以形成纯锂界面(即，包含两个接触锂表面的界面)。
根据于此所述的实施方式，可提供具有锂金属阳极层12的阳极结构10，锂金属阳极层12是在两个相对侧上被相应的柔性支撑件覆盖和保护的纯锂层。阳极结构10是柔性的，并且可用于生产锂电池。锂金属阳极层12可(例如)具有90％或更高，特别是99％或更高的锂含量。
第一柔性支撑件21可为用于集成在锂电池中的阳极集流体，并且第二柔性支撑件22可包括用于集成在锂电池中的隔膜或固态电解质层。因此，在阳极结构10中，锂金属阳极层12可直接夹在阳极集流体和固态电解质层或隔膜之间，而无需会对锂电池提供的电荷转移和/或能量密度产生负面影响的进一步的层(诸如钝化层、界面层或Li保护层)。
根据于此所述的一些实施方式，在锂金属阳极层12和第一柔性支撑件21之间的第一界面33是锂蒸发界面，并且锂金属阳极层12和第二柔性支撑件22之间的第二界面34是锂蒸发界面。如于此所用，“锂蒸发界面”是指通过蒸发将锂层直接设置在支撑层上的层界面。锂蒸发界面固有地提供了锂层在支撑层上的优异粘附力，并减少或完全避免了在锂层和支撑层之间的界面处受到外来分子的污染。
例如，若为了保护锂层而将不同材料的接触层(例如金属箔)机械地压到锂层的暴露的锂表面上，则在锂层和接触层之间的界面处存在有不良接触和不良粘附的风险。另一方面，如于此所述，在其两个相对的主侧处具有两个锂蒸发界面的锂金属阳极层在其两侧提供与支撑层的良好粘附和良好接触。
具有锂金属阳极的已知锂电池通常在锂金属阳极的至少一侧上具有钝化层或另一附加保护层，以便能够运输和处理阳极结构，以进一步处理和集成在电池层堆叠中。相比之下，根据于此所述的实施方式，锂金属阳极层12在其两侧上具有两个原始锂界面，因为构成锂金属阳极层12的两个锂子层在集成在最终锂电池中的柔性支撑件上直接蒸发。
根据可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式，第一柔性支撑件21包括阳极集流体11，并且锂的第一沉积直接在阳极集流体11上进行。换言之，锂在阳极集流体11上直接蒸发，阳极集流体11可为(例如)金属箔。
具体地，阳极集流体11可为金属箔，特别是铜箔，并且锂可在金属箔上直接蒸发，以形成锂阳极－第一子层12-1。
替代地，阳极集流体11可包括具有金属涂层(如，在聚合物箔的一侧或两侧上的铜涂层)的聚合物箔，并且锂的第一沉积可直接在阳极集流体11的金属涂层上进行。同样，于此，锂在阳极集流体11的金属上直接蒸发，从而确保在阳极和阳极集流体之间的良好接触和导电性。
根据一些实施方式，在阳极集流体11和锂金属阳极层12之间提供锂蒸发界面，从而提供阳极在阳极集流体上的良好粘附以及在阳极和阳极集流体(其可为铜箔)之间的良好电接触。具体地，在锂金属阳极层12和阳极集流体11之间可提供原始的锂界面(通过锂蒸发获得)，这不同于在阳极和阳极集流体之间具有钝化层、保护层或其他界面层的其他方案。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，第二柔性支撑件22包括固态电解质层13(SSE层)，并且第二沉积直接在SSE层上进行。换言之，锂在SSE层上直接蒸发，用于形成锂阳极－第二子层12-2。这样的实施方式显示在图2中。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，第二柔性支撑件22包含隔膜16，并且锂的第二沉积直接在隔膜16上进行。换言之，锂在隔膜16上直接蒸发，用于形成锂阳极－第二子层12-2。这样的实施方式显示在图3中。
图2示意性地显示了根据于此所述的实施方式的制造阳极结构的方法。图2所示的方法与上述方法基本对应，使得可参见上述说明，在此不再重复。
图2的实施方式中的第二柔性支撑件22包括固态电解质层13，并且锂的第二沉积直接在固态电解质层上进行。
特别地，第二柔性支撑件22可为层堆叠，其包括阴极集流体15、阴极集流体上的阴极14和阴极14上的固态电解质层13。用于形成锂阳极－第二子层12-2的锂的第二沉积直接在所述层堆叠的固态电解质层13上进行。
例如，在一些实施方式中，用于提供阴极14的阴极材料可(如，通过槽模(slot-die)涂布)首先沉积在阴极集流体15上，且固态电解质层13可接着沉积在阴极14上，以产生第二柔性支撑件22。之后可直接用锂涂布第二柔性支撑件22，用于在同一真空沉积设备中形成锂阳极－第二子层12-2。替代地，包括阴极集流体15、阴极14和固态电解质层13的第二柔性支撑件22可(如以卷的形式作为辊)运输通过大气环境，并接着可插入另一个真空沉积系统中用于以锂涂布。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，阴极集流体15可为或可包括铝箔。在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，阴极14可为NMC阴极。在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，阳极集流体11可为或可包括铜箔或铜涂层。
如图2所示意地描绘的，在阳极集流体11上的锂的第一沉积和在固态电解质层13上的锂的第二沉积之后，具有沉积的锂子层的第一柔性支撑件21和具有沉积的锂子层的第二柔性支撑件22被压在一起，使得锂阳极－第一子层12-1和锂阳极－第二子层12-2的暴露锂表面接触，且形成构成锂金属阳极层12的单一锂层。
制造的锂电池层堆叠可进一步处理以生产作为固态电池(SSB)的锂电池，即不具有用于实现离子传输的液体电解质的锂电池。
图3示意性地显示了根据于此所述的实施方式的制造阳极结构的方法。图3所示的方法与上述方法基本对应，使得可参见上述说明，在此不再重复。
图3的实施方式中的第二柔性支撑件22是隔膜16，并且锂的第二沉积直接在隔膜16上进行。替代地，第二柔性支撑件22可为具有隔膜16作为顶层的层堆叠，锂的第二沉积在顶层上进行。同样，于此，锂的第一沉积可直接在阳极集流体11上(如在铜箔上)进行。
如图3所示意地描绘的，在阳极集流体11上的锂的第一沉积和在隔膜16上的锂的第二沉积之后，将具有沉积的锂子层的第一柔性支撑件21和具有沉积的锂子层的第二柔性支撑件22压在一起，使得锂阳极－第一子层12-1和锂阳极－第二子层12-2的暴露锂表面接触并且形成构成锂金属阳极层12的单一锂层。
在一些实施方式中，阳极结构10如下制造：阴极14(例如NMC阴极)可沉积在阴极集流体15上(例如铝箔上)，以提供阴极层堆叠。阴极层堆叠可与具有沉积在其上的锂阳极－第二子层12-2的第二柔性支撑件22以及具有沉积在其上的锂阳极－第一子层12-1的第一柔性支撑件21结合，如图3所示意地描绘的，特别是通过将上述三层堆叠压在一起。
具体地，结合可包括将(1)其上沉积有锂阳极－第一子层12-1的第一柔性支撑件21、(2)其上沉积有锂阳极－第二子层12-2的第二柔性支撑件22及(3)包括其上设置有阴极14的阴极集流体15的阴极层堆叠压在一起。层堆叠(1)、(2)和(3)可同时或随后压在一起。例如，层堆叠(1)、(2)和(3)可用两个压辊或用彼此偏向的几对压辊压在一起(参见图1)。进行结合使得锂阳极－第一子层12-1的第一锂表面和锂阳极－第二子层12-2的第二锂表面彼此直接接触，使得形成锂金属阳极层12。例如，压辊可对阴极集流体15和阳极集流体11施加压力，使得布置在阴极集流体15和阳极集流体11之间的层被压在一起并且产生结合层堆叠。
在结合之后，可将液体电解质插入到在阳极和阴极之间布置有隔膜的空间中。具体地，电池层堆叠可填充有液体电解质。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，于此所述的制造方法(包括第一和第二沉积以及结合)在卷对卷处理系统中在连续真空下进行。具体地，第一沉积可通过具有第一涂布滚筒的第一锂沉积设备进行，并且第一柔性支撑件可在第一涂布滚筒的滚筒表面上引导经过一个或多个第一锂蒸发器，用于沉积锂阳极的第一子层于其上。第一柔性支撑件可从第一退绕辊退绕并通过可包括一个或多个引导辊的第一卷材输送系统移动至第一涂布滚筒。
第二沉积可由具有第二涂布滚筒的第二锂沉积设备进行，并且第二柔性支撑件可在第二涂布滚筒的滚筒表面上引导经过一个或多个第二锂蒸发器，用于沉积锂阳极的第二子层于其上。第二柔性支撑件可从第二退绕辊退绕并通过可包括一个或多个引导辊的第二卷材输送系统移动至第二涂布滚筒。这种卷对卷处理系统允许快速、可靠和高质量的锂层沉积和卷材结合，特别是在连续真空环境下的一个真空沉积系统内侧。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，以1μm≤TLi1≤20μm的第一厚度TLi1沉积锂阳极－第一子层，以1μm≤TLi2≤20μm的TLi2的第二厚度沉积锂阳极－第二子层，和/或锂金属阳极层12具有2μm≤TLi≤40μm的结合厚度TLi，特别是3μm≤TLi≤25μm，更特别是5μm≤TLi≤15μm，例如约10μm。
本公开内容的实施方式还涉及根据于此所述的任何方法制造的阳极结构10。
图4显示了用于制造如于此所述的阳极结构10的真空沉积系统200的示意图。
真空沉积系统200包括第一锂沉积设备105、第二锂沉积设备106及结合装置211，第一锂沉积设备105用于在第一柔性支撑件21上沉积具有第一锂表面的锂阳极－第一子层12-1，第二锂沉积设备106用于在第二柔性支撑件22上沉积具有第二锂表面的锂阳极－第二子层12-2，结合装置211用于通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起以结合锂阳极－第一子层和锂阳极－第二子层，以形成锂金属阳极层12。
第一锂沉积设备105可包括一个或多个第一锂蒸发器223，且第二锂沉积装置106可包括一个或多个第二锂蒸发器233。
真空沉积系统200可为卷对卷处理系统，用于将锂沉积在柔性卷材基板上，柔性卷材基板在沉积之前从储存卷筒退绕并且由一个或多个卷材输送系统移动经过一个或多个锂蒸发器。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，第一锂沉积设备105包括第一涂布滚筒222，配置用于在第一真空沉积腔室221中引导第一柔性支撑件21通过一个或多个第一锂蒸发器223，并且第二锂沉积设备106可包括第二涂布滚筒232，配置用于在第二真空沉积腔室231中引导第二柔性支撑件22通过一个或多个第二锂蒸发器233。例如，两个、三个或更多个第一锂蒸发器可布置在第一涂布滚筒222的外围，用于将蒸发的锂导向第一涂布滚筒222的滚筒表面。类似地，两个、三个或更多个第二锂蒸发器可布置在第二涂布滚筒232的外围，用于将蒸发的锂导向第二涂布滚筒232的滚筒表面，如图4中示意地描绘的。
在一些实现中，真空沉积系统200可包括设置在第一真空沉积腔室221和第二真空沉积腔室231之间的真空结合腔室210，其中结合装置211布置在真空结合腔室210中。替代地或另外地，真空结合腔室210可布置在第一柔性支撑件21的卷材输送方向上的第一真空沉积腔室221的下游和在第二柔性支撑件22的卷材输送方向上的第二真空沉积腔室231的下游。因此，第一柔性支撑件21和第二柔性支撑件22可在真空结合腔室210中在其上沉积各自的锂子层之后结合。
在一些实施方式中，真空沉积系统包括第一卷材输送系统，配置用于将第一柔性支撑件21从第一退绕辊225输送到第一涂布滚筒222并且从第一涂布滚筒222输送到结合装置211。此外，可提供第二卷材输送系统，其配置用于将第二柔性支撑件22从第二退绕辊235输送到第二涂布滚筒232并且从第二涂布滚筒232输送到结合装置211。在结合装置211中，第一锂表面和第二锂表面彼此面对并且可由结合装置211直接接触，使得锂表面彼此粘附。
第一退绕辊225可布置在第一滚动条腔室224中，并且第二退绕辊235可布置在第二滚动条腔室234中。
在可与于此所述的其他实施方式结合的一些实施方式中，结合装置211可包括朝第二压辊偏压的第一压辊，且具有沉积的锂阳极－第一子层的第一柔性支撑件21和具有沉积的锂阳极－第二子层的第二柔性支撑件22可在结合装置211的第一压辊和第二压辊引导并由结合装置211的第一压辊和第二压辊而压在一起。
卷绕滚动条215可布置在结合装置211的下游，可选地在单独的卷绕腔室中，卷绕腔室可用阀与真空结合腔室210分开。构成锂电池层堆叠的结合装置211下游的结合层堆叠可卷绕在卷绕滚动条215上。卷绕滚动条215可从真空沉积系统200取出以输送至进一步的处理设备。
图4的真空沉积系统200可操作如下：
第一柔性支撑件21可为阳极集流体，特别是铜箔，其从第一退绕辊225退绕并用第一卷材输送系统输送到第一涂布滚筒222。当阳极集流体支撑在第一涂布滚筒222的滚筒表面上时，可用一个或多个第一锂蒸发器223将锂直接沉积在阳极集流体上。涂布锂的阳极集流体可输送到真空结合腔室210中的结合装置211。
作为隔膜层(可选地在其他层的顶部)的第二柔性支撑件22可从第二退绕辊235退绕并用第二卷材输送系统从第二退绕辊235输送到第二涂布滚筒232。当隔膜层支撑在第二涂布滚筒232的滚筒表面上时，可用一个或多个第二锂蒸发器233将锂直接沉积在隔膜层上。涂布锂的隔膜层可输送到真空结合腔室210中的结合装置211。
可选地，包括阴极集流体(如，铝箔)的阴极层堆叠和沉积在其上的阴极可输送到真空结合腔室210中的结合装置211。例如，阴极层堆叠可从第三退绕辊216退绕。
阴极层堆叠、Li涂布的隔膜层和Li涂布的阳极集流体可(如，通过在第一和第二压辊之间将所述三层堆叠压在一起，或替代地通过随后的压辊对压在一起)用结合装置211结合，以形成锂电池层堆叠。在锂子层的暴露的锂表面彼此接触的情况下，将涂布锂的隔膜和涂布锂的阳极集流体压在一起，诸如以形成连续的锂层，从而形成锂金属阳极层。
制造的锂电池层堆叠可填充有液体电解质。
在替代实施方式中，第二柔性支撑件22是层堆叠，其包括在层堆叠的顶部上(如，在阴极和阴极集流体的顶部上)的SSE层。第二柔性支撑件22由第二卷材输送系统输送到第二涂布滚筒232。当第二柔性支撑件22的后表面支撑在第二涂布滚筒232的滚筒表面上时，使用一个或多个第二锂蒸发器233将锂直接沉积在SSE层上。涂布锂的第二柔性支撑件可运输到真空结合腔室210中的结合装置211并与涂布Li的第一柔性支撑件结合，以形成直接设置在阳极集流体和SSE层之间的连续锂层。
图5显示了根据于此所述的实施方式的锂电池层堆叠100的示意性截面图。
锂电池通常包括具有相反极性的两个电极，即负极和正极。阴极和阳极由布置在阴极和阳极之间的隔膜绝缘，以防止在阴极和阳极之间的短路。电池包括用作离子导电基质的电解质。因此，电解质是离子导体，其可为液体、凝胶形式或固体。固态电解质可充当隔膜。隔膜通常是离子可渗透的，并允许在充电或放电循环中在阳极和阴极之间进行离子交换。例如，隔膜可为多孔聚合物离子导电聚合物基板。特别地，多孔聚合物基板可为多层聚合物基板。
于此所述的锂电池层堆叠100包括阴极集流体15(例如Al箔)、在阴极集流体15上的阴极14、在阴极集流体上的隔膜16或固态电解质层13、在隔膜16或固态电解质层13上的锂金属阳极层12及在锂金属阳极层12上的阳极集流体11(例如铜箔)。若提供固态电解质层13，则固态状态电解质层13可将阳极与阴极隔开，使得可不需要用液体电解质填充的额外隔膜。
锂金属阳极层12是与阳极集流体11和隔膜16(或固态电解质层13)直接接触的纯锂膜。
具体地，在锂金属阳极层12和阳极集流体11之间的界面处可不存在任何进一步的层，诸如锂保护层或钝化层。此外，在锂金属阳极层12和隔膜16(或固态电解质层13)之间的界面处可不存在任何进一步的层。特别地，原始锂界面可设置在锂金属阳极的两侧。
在一些实施方式中，在锂金属阳极层12和阳极集流体11之间的第一界面33是锂蒸发界面，和/或在锂金属阳极层12和隔膜16(或固态电解质层13)之间的第二界面34为锂蒸发界面。锂蒸发界面通过在相应支撑层上的直接锂蒸发而产生。锂蒸发界面的特征在于在接触层之间的良好粘附和接触性质。
在一些实现中，锂金属阳极层12包括彼此直接接触并彼此粘附的锂阳极－第一子层12-1和锂阳极－第二子层12-2。
在一些实施方式中，阴极集流体15可为Al箔或Al涂布的聚合物箔，特别是具有1μm或更大且15μm或更小的厚度。
在一些实施方式中，阴极14可为NMC阴极。
在一些实施方式中，阳极集流体11可为铜箔或涂布铜的聚合物箔，特别是具有1μm或更大且15μm或更小的厚度。
图6是用于说明制造根据于此所述实施方式的阳极结构的方法的流程图。
在方块610中，通过蒸发将锂沉积在第一柔性支撑件上，以形成具有暴露的第一锂表面的锂阳极－第一子层。第一柔性支撑件可为阳极集流体。
在方块611中，通过蒸发将锂沉积在第二柔性支撑件上，以形成具有暴露的第二锂表面的锂阳极－第二子层。第二柔性支撑件可包括锂直接沉积在其上的隔膜或SSE层。
在方块620中，将涂布有锂的第一柔性支撑件和涂布有锂的第二柔性支撑件压在一起，使得第一和第二锂表面彼此接触并且包含彼此粘附的两个锂子层的锂金属阳极层形成。具体地，锂阳极－第一子层和锂阳极－第二子层通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起而结合，以形成锂金属阳极层。
具体地，于此描述了以下实施方式：
实施方式1：一种制造用于锂电池的阳极结构(10)的方法，包含以下步骤：在第一柔性支撑件(21)上的锂的第一沉积，以提供具有第一锂表面(31)的锂阳极－第一子层；在第二柔性支撑件(22)上的锂的第二沉积，以提供具有第二锂表面(32)的锂阳极－第二子层；和通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起，将锂阳极－第一子层和锂阳极－第二子层结合，以形成锂金属阳极层(12)。
实施方式2：根据实施方式1所述的方法，其中第一柔性支撑件包含阳极集流体(11)，并且锂的第一沉积直接在阳极集流体上进行。
实施方式3：根据实施方式2所述的方法，其中阳极集流体(11)是金属箔，特别是铜箔。
实施方式4：根据实施方式2所述的方法，其中阳极集流体(11)包含具有金属涂层的聚合物箔，并且锂的第一沉积直接在金属涂层上进行。
实施方式5：根据实施方式1至4任一实施方式所述的方法，其中第二柔性支撑件包含固态电解质层(13)，并且锂的第二沉积直接在固态电解质层上进行。
实施方式6：根据实施方式5所述的方法，其中第二柔性支撑件(22)是层堆叠，层堆叠包含阴极集流体(15)、在阴极集流体上的阴极(14)和在阴极上的固态电解质层(13)。
实施方式7：根据实施方式1至6任一实施方式所述的方法，其中第二柔性支撑件(22)包含隔膜(16)，并且锂的第二沉积直接在隔膜上进行。
实施方式8：根据实施方式1至7任一实施方式所述的方法，其中结合包含以下步骤：将(i)上面沉积有锂阳极－第一子层的第一柔性支撑件(21)、(ii)上面沉积有锂阳极－第二子层的第二柔性支撑件(22)和(iii)上面设置有阴极(14)的阴极集流体(15)压在一起。
实施方式9：在卷对卷处理系统中在真空下连续进行的实施方式1至8任一实施方式的方法。
实施方式10：根据实施方式1至9任一实施方式所述的方法，其中以1μm≤TLi1≤20μm的第一厚度TLi1沉积锂阳极－第一子层，以1μm≤TLi2≤20μm的第二厚度TLi2沉积锂阳极－第二子层，且锂金属阳极层具有2μm≤TLi≤40μm，特别是5μm≤TLi≤15μm的结合厚度TLi。
实施方式11：一种用于制造阳极结构(10)的真空沉积系统(200)，包含：第一锂沉积设备(105)，用于在第一柔性支撑件(21)上沉积具有第一锂表面的锂阳极－第一子层；第二锂沉积设备(106)，用于在第二柔性支撑件(22)上沉积具有第二锂表面的锂阳极－第二子层；及结合装置(211)，用于通过将第一锂表面和第二锂表面压在一起，将锂阳极－第一子层和锂阳极－第二子层结合，以形成锂金属阳极层(12)。
实施方式12：根据实施方式11所述的真空沉积系统，其中第一锂沉积设备(105)包含第一涂布滚筒(222)，第一涂布滚筒(222)配置用于在第一真空沉积腔室(221)中引导第一柔性支撑件通过一个或多个第一锂蒸发器(223)，并且第二锂沉积设备(106)包含第二涂布滚筒(232)，第二涂布滚筒(232)配置用于在第二真空沉积腔室(231)中引导第二柔性支撑件通过一个或多个第二锂蒸发器(233)。
实施方式13：根据实施方式12所述的真空沉积系统，进一步包含：真空结合腔室(210)，在第一真空沉积腔室和第二真空沉积腔室之间，真空结合腔室(210)中布置有结合装置(211)。
实施方式14：根据实施方式12或13所述的真空沉积系统，进一步包含第一卷材输送系统，第一卷材输送系统配置用于将第一柔性支撑件从第一退绕辊(225)输送到第一涂布滚筒(222)并从第一涂布滚筒输送到结合装置(211)；和第二卷材输送系统，第二卷材输送系统配置用于将第二柔性支撑件从第二退绕辊(235)输送到第二涂布滚筒(232)并从第二涂布滚筒输送到结合装置(211)，使得第一锂表面和第二锂表面在结合装置(211)中彼此面对并且可由结合装置(211)直接接触。
实施方式15：根据实施方式11至14任一实施方式所述的真空沉积系统，其中结合装置(211)包含朝第二压辊偏压的第一压辊，使得具有锂阳极－第一子层的第一柔性支撑件(21)和具有锂阳极－第二子层的第二柔性支撑件(22)可在第一压辊和第二压辊之间引导并由第一压辊和第二压辊压在一起。
实施方式16：一种根据实施方式1至10任一实施方式所述的方法制造的阳极结构(10)。
实施方式17：一种锂电池层堆叠(100)，包含：阴极集流体(15)、在阴极集流体上的阴极(14)、在阴极集流体上的隔膜(16)或固态电解质层(13)、在隔膜或固态电解质层上的锂金属阳极层(12)及在锂金属阳极层上的阳极集流体(11)，其中锂金属阳极层(12)是与阳极集流体和隔膜或固态电解质层两者直接接触的纯锂膜。
实施方式18：根据实施方式17所述的锂电池层堆叠，其中在锂金属阳极层与阳极集流体之间的第一界面(33)为锂蒸发界面，并且在锂金属阳极层与隔膜或固态电解质层之间的第二界面(34)为锂蒸发界面。
实施方式19：根据实施方式17或18所述的锂电池层堆叠，其中锂金属阳极层(12)包含彼此直接接触的锂阳极－第一子层(12-1)和锂阳极－第二子层(12-2)。
实施方式20：根据实施方式17至19任一实施方式所述的锂电池层堆叠，其中阴极集流体(15)为Al箔或Al涂布的聚合物箔，阴极(14)为NMC阴极，和/或阳极集流体(11)为铜箔或涂布铜的聚合物箔。
综上所述，应当理解，本公开内容的实施方式有益地提供了阳极结构、锂电池层堆叠、制造阳极结构的方法和真空沉积系统，其与现在的技术相比进行了改进。具体地，提供了具有夹在阳极集流体和隔膜或SSE层之间的原始锂界面的锂金属阳极层，并且可根据于此所述的方法制造。可减少锂枝晶生长并且可显著改善锂金属阳极层与接触层的粘附和接触。
虽然前面涉及实施方式，但在不背离基本范围的情况下可设计其他和进一步的实施方式，并且该范围由随附的权利要要求书决定。

Claims (20)

1.一种制造用于锂电池的阳极结构(10)的方法，包含以下步骤：
在第一柔性支撑件(21)上的锂的第一沉积，以提供具有第一锂表面(31)的锂阳极－第一子层；
在第二柔性支撑件(22)上的锂的第二沉积，以提供具有第二锂表面(32)的锂阳极－第二子层；和
通过将所述第一锂表面和所述第二锂表面压在一起，将所述锂阳极－第一子层和所述锂阳极－第二子层结合，以形成锂金属阳极层(12)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一柔性支撑件包含阳极集流体(11)，并且锂的所述第一沉积直接在所述阳极集流体上进行。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述阳极集流体(11)是金属箔，特别地是铜箔。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述阳极集流体(11)包含具有金属涂层的聚合物箔，并且锂的所述第一沉积直接在所述金属涂层上进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二柔性支撑件包含固态电解质层(13)，并且锂的所述第二沉积直接在所述固态电解质层上进行。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第二柔性支撑件(22)是层堆叠，所述层堆叠包含阴极集流体(15)、在所述阴极集流体上的阴极(14)和在所述阴极上的所述固态电解质层(13)。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述第二柔性支撑件(22)包含隔膜(16)，并且锂的所述第二沉积直接在所述隔膜上进行。
8.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述结合包含以下步骤：
将(i)上面沉积有所述锂阳极－第一子层的所述第一柔性支撑件(21)、(ii)上面沉积有所述锂阳极－第二子层的所述第二柔性支撑件(22)和(iii)上面设置有阴极(14)的阴极集流体(15)压在一起。
9.如权利要求1-6任一项所述的方法，所述方法在卷对卷处理系统中在真空下连续进行。
10.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中以1μm≤TLi1≤20μm的第一厚度TLi1沉积所述锂阳极－第一子层，以1μm≤TLi2≤20μm的第二厚度TLi2沉积所述锂阳极－第二子层，且所述锂金属阳极层具有2μm≤TLi≤40μm的结合厚度TLi，特别地是5μm≤TLi≤15μm。
11.一种用于制造阳极结构(10)的真空沉积系统(200)，包含：
第一锂沉积设备(105)，用于在第一柔性支撑件(21)上沉积具有第一锂表面的锂阳极－第一子层；
第二锂沉积设备(106)，用于在第二柔性支撑件(22)上沉积具有第二锂表面的锂阳极－第二子层；和
结合装置(211)，用于通过将所述第一锂表面和所述第二锂表面压在一起，将所述锂阳极－第一子层和所述锂阳极－第二子层结合，以形成锂金属阳极层(12)。
12.如权利要求11所述的真空沉积系统，
其中所述第一锂沉积设备(105)包含第一涂布滚筒(222)，所述第一涂布滚筒(222)配置用于在第一真空沉积腔室(221)中引导所述第一柔性支撑件通过一个或多个第一锂蒸发器(223)，
并且所述第二锂沉积设备(106)包含第二涂布滚筒(232)，所述第二涂布滚筒(232)配置用于在第二真空沉积腔室(231)中引导所述第二柔性支撑件通过一个或多个第二锂蒸发器(233)。
13.如权利要求12所述的真空沉积系统，进一步包含：真空结合腔室(210)，在所述第一真空沉积腔室和所述第二真空沉积腔室之间，所述真空结合腔室(210)中布置有所述结合装置(211)。
14.如权利要求12所述的真空沉积系统，进一步包含：
第一卷材输送系统，所述第一卷材输送系统配置用于将所述第一柔性支撑件从第一退绕辊(225)输送到所述第一涂布滚筒(222)并从所述第一涂布滚筒输送到所述结合装置(211)；和
第二卷材输送系统，所述第二卷材输送系统配置用于将所述第二柔性支撑件从第二退绕辊(235)输送到所述第二涂布滚筒(232)并从所述第二涂布滚筒输送到所述结合装置(211)，使得所述第一锂表面和所述第二锂表面在所述结合装置(211)中彼此面对并且可由所述结合装置(211)直接接触。
15.如权利要求11-14任一项所述的真空沉积系统，其中所述结合装置(211)包含朝第二压辊偏压的第一压辊，使得具有所述锂阳极－第一子层的所述第一柔性支撑件(21)和具有所述锂阳极－第二子层的所述第二柔性支撑件(22)可在所述第一压辊和所述第二压辊之间引导并由所述第一压辊和所述第二压辊压在一起。
16.一种根据权利要求1所述的方法制造的阳极结构(10)。
17.一种锂电池层堆叠(100)，包含：
阴极集流体(15)；
在所述阴极集流体上阴极(14)；
在所述阴极集流体上的一隔膜(16)或固态电解质层(13)；
在所述隔膜或固态电解质层上的锂金属阳极层(12)；和
在所述锂金属阳极层上的阳极集流体(11)，
其中所述锂金属阳极层(12)是与所述阳极集流体和所述隔膜或固态电解质层两者直接接触的纯锂膜。
18.如权利要求17所述的锂电池层堆叠，其中在所述锂金属阳极层与所述阳极集流体之间的第一界面(33)为锂蒸发界面，并且在所述锂金属阳极层与所述隔膜或固态电解质层之间的第二界面(34)为锂蒸发界面。
19.如权利要求17所述的锂电池层堆叠，其中所述锂金属阳极层(12)包含彼此直接接触的锂阳极－第一子层(12-1)和锂阳极－第二子层(12-2)。
20.如权利要求17-19任一项所述的锂电池层堆叠，其中
所述阴极集流体(15)为Al箔或Al涂布的聚合物箔，
所述阴极(14)为NMC阴极，和/或
所述阳极集流体(11)为铜箔或涂布铜的聚合物箔。
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