JP2018073817A - リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池 - Google Patents

リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2018073817A
JP2018073817A JP2017197815A JP2017197815A JP2018073817A JP 2018073817 A JP2018073817 A JP 2018073817A JP 2017197815 A JP2017197815 A JP 2017197815A JP 2017197815 A JP2017197815 A JP 2017197815A JP 2018073817 A JP2018073817 A JP 2018073817A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium metal
metal electrode
layer
insulating layer
current collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017197815A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6602359B2 (ja
Inventor
楊思▲ダン▼
Szu-Nan Yang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prologium Holding Inc
Prologium Technology Co Ltd
Original Assignee
Prologium Holding Inc
Prologium Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Prologium Holding Inc, Prologium Technology Co Ltd filed Critical Prologium Holding Inc
Publication of JP2018073817A publication Critical patent/JP2018073817A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6602359B2 publication Critical patent/JP6602359B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H01M50/461Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes with adhesive layers between electrodes and separators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/497Ionic conductivity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

【課題】安全性を大きく改善できるリチウム金属電極および関連するリチウム金属電池の提供。
【解決手段】リチウム金属電極10aは、集電体102、多孔性電気絶縁層104、イオン拡散層108、およびリチウム金属層106を備える。多孔性電気絶縁層104は、より大きなスルーホールH1を有する絶縁層104a、およびより小さなスルーホールH2を有する阻止層104bを備える。集電体102は絶縁層104aの片側上に配置され、阻止層104bは絶縁層104aの他の側上に配置される。リチウムデンドライトは、大部分絶縁層104aのスルーホールH1内に析出し、阻止層104bのために上方に析出しない。したがって、リチウムデンドライトは電気絶縁体を貫通せず、その結果、リチウム金属電池の安全性を大きく改善できる。
【選択図】図1

Description

本発明は電極に関し、詳細にはリチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池に関する。
現在のリチウム以外の電池システムと比較して、リチウム電池システムには、高い動作電圧(最大3.6V)、高いエネルギー密度(最大120Wh/kg)、軽量、より長いサイクル寿命、環境に優しいなどの利点がある。
リチウム電池システムの研究の歴史によれば、最も早く開発されたリチウム電池は、再充電可能なリチウム金属電池であり、この電池はかなり高いエネルギー密度を有するが、その一方で、電解質に対する化学反応能力が高いために、安定性および安全性に関して深刻な問題がある。リチウム金属電池システムの安全性の問題を考慮すれば、再充電可能なリチウム電池の開発は、再充電可能なリチウム合金電池システムおよび再充電可能なリチウムイオン電池システムに徐々に集中している。
電池システムの性能に関しては、安全性の要件を除き、電池システムの容量が機器の動作継続期間をサポートするのに十分であることを保証することが重要である。その結果として、電池システムの容量は、再び重要な開発問題になっている。過去には、リチウム金属電池システムの開発は、その安全性の問題のために中断された。
リチウムイオンシステムおよびリチウム重合体システムと比較して、リチウム金属システムのエネルギー密度は、他のシステムよりもはるかに高い。しかしながら、リチウム金属が高い化学的活性を有するので、リチウム金属が適切な条件の下で保存されない、または動作させられない場合、非常に激しい酸化還元反応が発生する。事実上、リチウム金属電池システムは、リチウム金属の安全性、加工、および保存の問題を克服できる場合にのみ現在のスマート電気機器に好適である。
しかしながら、リチウムイオン電池システムの電解質は、有機溶媒を含む液体であり、その結果、蒸発点火問題が必然的に発生する。さらに、電池の密封が不十分なために電解質が漏れて、これが安全性の問題を引き起こす。
近年、安全性を保証するために、再充電可能なリチウム重合体電池システムが開発された。リチウム電池システムの安全性を改善するために、当初の有機溶媒は重合体電解質に置き換えられた。
したがって、上記の問題を克服するためにリチウム金属電極が提供される。
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。リチウム金属電極の多孔性電気絶縁層の絶縁層が、リチウムデンドライト析出に特有の領域を提供できる。
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。多孔性電気絶縁層の阻止層が、阻止層の構造強度のために、充電中にリチウムデンドライトが析出する高さを効率的に抑制する。リチウムデンドライトは主に水平方向に析出し、その結果、絶縁層によって形成された特有の領域は、リチウムデンドライト析出のために非常に効率的に使用される。したがって、リチウムデンドライトは電気絶縁体を貫通せずに、電池の内部短絡を回避する。その一方で、リチウムデンドライトは、垂直方向に向かうのではなく放射方向に向かって析出し、その結果、電池の厚さが通常状態から極端に外れて確認されることがない。
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。多孔性電気絶縁層のイオン拡散層は多孔性であり、粒子および/または繊維から作られる。リチウムデンドライトはイオン拡散層の小孔の内部で析出し、剥離する。析出の間、リチウムデンドライトはイオン拡散層の粒子および/または繊維に付着して、固体電解質界面(solid electrolyte interface、SEI)の強度を高める。SEIの厚さ(およそ10〜50ナノメートル)と比較して、リチウムデンドライトの析出/剥離の体積変化(15〜20ミクロン)はあまりにも大きすぎ、SEIは、イオン拡散層からの支持を提供することがなければ、リチウムデンドライトの析出および/または剥離の間にひどく損傷する。粒子および/または繊維を有するイオン拡散層は、SEIのための支持を提供して、電池の容量損失を低減でき、特定の条件の下で、SEIを形成する反応と反応さえできる。
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。イオン拡散層の粒子および/または繊維によって生成された面および/または小孔は、液体および/またはゲルの電解質のための分岐の役割を果たすことが可能であり、その結果、リチウムデンドライトの析出/剥離は、電解質の連続界面にとってより効率的になる可能性がある。また、リチウムデンドライトと電解質の間の界面は、完全な状態を保つことが可能であり、その結果、界面の抵抗を低減でき、界面の過電圧を制御することによってリチウムデンドライト析出の一様性を現すことが可能である。
本発明は、集電体、多孔性電気絶縁層、少なくとも1つのイオン拡散層、およびリチウム金属層を備えるリチウム金属電極を開示し、そこでは、多孔性電気絶縁層は、絶縁層および阻止層を備える。
本発明は、リチウム金属電極、正極電極、電気絶縁体、および密封フレームを備えるリチウム金属電池を開示し、そこでは、リチウム金属電極は、集電体、多孔性電気絶縁層、少なくとも1つのイオン拡散層、およびリチウム金属層を備える。多孔性電気絶縁層は、絶縁層および阻止層を備える。
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池によれば、リチウムデンドライトは多孔性電気絶縁層およびイオン拡散層によって画成される特有の領域内部だけで析出し、その結果、リチウムデンドライトは、電池の電気絶縁体を貫通しない。電池の内部短絡は発生せず、電池の安全性を改善できる。
本発明の適用可能性の範囲が、本明細書で以下に提示する詳細な説明からさらに明らかになるであろう。しかしながら、本発明の趣旨および範囲に入るさまざまな変更および修正がこの詳細な説明から当業者に明らかになるので、詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示のためだけに提示されていることを理解されたい。
本発明は、本明細書で以下に例示のためだけに提示される詳細な説明から、より完全に理解できるが、本発明を制限しない。
本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。 本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。 本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。 本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。 本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。 本発明のリチウム金属電池の横断面図を示す。
図1に示すように、本発明のリチウム金属電極10aは、集電体102、多孔性電気絶縁層104、少なくとも1つのイオン拡散層108、およびリチウム金属層106を備える。電気絶縁層104は、絶縁層104aおよび阻止層104bを備える。
電気絶縁層104は、集電体102の面上に配置される。絶縁層104aは、少なくとも1つの第1のスルーホールH1を有する。集電体102の面のいくつかの部分は第1のスルーホールH1に従って露出し、リチウム金属層106は、集電体102の露出した面上に配置される。リチウム金属層106の上には、イオン拡散層108が第1のスルーホールH1内に配置され、リチウム金属層106に隣接する。イオン拡散層108は、リチウム金属層106と直接または間接的に接触してもよい、または特定の条件の下では、リチウム金属層108と全く接触さえしない。
イオン拡散層108は、第1のスルーホールH1内に完全に配置される、または第1のスルーホールH1内に部分的に配置されることが可能である。イオン拡散層108は、全部が絶縁層104a内部に位置決めされ、阻止層104bの中に入り込まない。すなわち、イオン拡散層108は、阻止層104bの第2のスルーホールH2の中に位置しない。場合によっては、絶縁層104aは、2つ以上の第1のスルーホールH1を有してもよい。図2に示すように、リチウム金属層106およびイオン拡散層108は、上記に示すように配置できる。
集電体102の材料は、銅、ニッケル、鋼鉄、またはそれらの任意の組合せなどの金属または任意の他の導電材料とすることが可能である。集電体102は、固体構造または多孔性構造とすることが可能である。容量および設計の要件に基づき、リチウム金属層106の厚さは0.3〜5ミクロンの範囲である。絶縁層104aおよび阻止層104bを備える多孔性電気絶縁層104の外面は、非導電材料から作られる。絶縁層104aおよび/または阻止層104bが単層構造であるとき、絶縁重合体材料、絶縁セラミック材料、絶縁ガラス材料、絶縁ガラス繊維材料、およびそれらの任意の組合せなどの、絶縁層104aおよび/または阻止層104bの材料は絶縁されている。
絶縁重合体材料は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリアクリレート、エポキシ樹脂、またはシリコーンを含む。絶縁ガラス繊維材料は、FR4−クラスのエポキシガラス繊維材料を含む。絶縁層104aおよび/または阻止層104bは、多層構造であるとき、上述の材料の他に、電気的に絶縁された材料、電気的に絶縁されたコーティングを有する任意の材料、または電気的に絶縁された材料によって完全に覆われた任意の材料から作られる。
さらに、イオン拡散層108は多孔性であり、重合体材料、セラミック材料、ガラス材料、繊維材料、およびそれらの任意の組合せから作られることが可能である。イオン拡散層108の小孔は、粒子スタッキングおよび/または繊維交差によって作られてもよい。粒子は、セラミック粒子、重合体粒子、および/またはガラス粒子を含む。繊維は、重合体繊維および/またはガラス繊維を含む。
イオン拡散層108の面は、アニオンおよび/またはカチオンを運ぶ帯電面を有するようにさらに処理されてもよい。たとえば、イオン拡散層108のカチオンで帯電した面は、電気二重層効果を低減でき、その結果、充電中のリチウムイオン移動の偏りを低減できる。イオン拡散層108のアニオンで帯電した面は、リチウムイオンを分布させるのに役立つ可能性がある。
図2を参照する。リチウム金属電極10bの第1のスルーホールH1の直径は一様であり、リチウム金属電極10bの第2のスルーホールH2の直径は一様である。
図3に示すように、リチウム金属電極10bの第1のスルーホールH1の直径は一様ではなく、リチウム金属電極10bの第2のスルーホールH2の直径は一様ではない。すなわち、第1のスルーホールH1のサイズはさまざまであってもよく、第2のスルーホールH2のサイズはさまざまであってもよい。事実上、一様なサイズの第1のスルーホールH1を有する絶縁層104aは、一様ではないサイズの第2のスルーホールH2を有する阻止層104bと結合されてもよい、または一様なサイズの第2のスルーホールH2を有する阻止層104bと結合されてもよい。同様に、一様ではないサイズの第1のスルーホールH1を有する絶縁層104aは、一様ではないサイズの第2のスルーホールH2を有する阻止層104bと結合されてもよい、または一様なサイズの第2のスルーホールH2を有する阻止層104bと結合されてもよい。しかしながら、上述のどのような種類の組合せでも、第2のスルーホールH2の直径は、第1のスルーホールH1よりも小さくなければならない。
ただ1つの第1のスルーホールH1を有する絶縁層104aに関しては、第1のスルーホールH1のサイズは、電極の活性反応領域以下である。2つ以上の第1のスルーホールH1を有する絶縁層104aに関しては、第1のスルーホールH1の直径は、これらの第1のスルーホールH1が同じサイズを有しても、有さなくても、50ミクロン未満である。リチウムデンドライトのサイズは1ミクロンよりも大きいので、一様なサイズの第2のスルーホールH2および一様ではないサイズの第2のスルーホールH2の直径は、1ミクロン未満である。
絶縁層104aの開口比は40%〜90.5%の範囲であり、そこでは、高い開口比は、狭い境界を有するリチウム金属電極(図示せず)の場合に現れる。阻止層104bの開口比は25%〜80%の範囲である。絶縁層104aの厚さは15〜40ミクロンの範囲であり、阻止層104bの厚さは1〜25ミクロンの範囲である。多孔性電気絶縁体104全体の厚さは16〜65ミクロンの範囲である。
図4を参照する。リチウム金属電極10dは、集電体102と絶縁層104aの間に配置された第1の密着層AD1をさらに備える。第1の密着層AD1の材料は、熱硬化性重合体、熱可塑性重合体、およびそれらの任意の組合せからなるグループから選択され、そこでは、熱硬化性重合体は、シリコーン、エポキシ樹脂、アクリル酸樹脂、およびそれらの任意の組合せからなるグループから選択され、熱可塑性重合体は、ポリエチレン、ポリプロピレン、熱可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリウレタン、およびそれらの任意の組合せからなるグループから選択される。
第1の密着層AD1の材料は、シリコーン、ポリエチレン、ポリプロピレン、熱可塑性ポリイミドなどのような電解質不活性材料から選択される方がさらによい。したがって、第1の密着層AD1は電解質と、具体的には、液相電解質および/またはゲル相電解質と反応せず、その結果、第1の密着層AD1の密着能力は低減しない。その上、絶縁層104aおよび阻止層104bは一体化されないので、図5に示すように、絶縁層104aと阻止層104bの間に第2の密着層AD2を提供できる。
第2の密着層AD2の材料は、第1の密着層AD1に関して言及した材料から選択できる。しかしながら、絶縁層104aおよび阻止層104bの材料は事実上、同一にできない。電極をより薄くするために、第1の密着層AD1の厚さは1〜30ミクロンの範囲とする方がよく、第2の密着層AD2の厚さは、同様に1〜30ミクロンの範囲とする方がよい。それに応じて、電極10dおよび10e内部でのリチウムイオンの移動距離は低減されず、その結果、電池の容量は減少しない。同様に、第2の密着層AD2の材料は、電解質と、具体的には、液相電解質および/またはゲル相電解質と反応しない材料を選ぶ方がよく、その結果、第2の密着層AD2は溶解しない、膨潤しない、および/または劣化しない。
図6にはリチウム金属電池が示されている。リチウム金属電池50は、リチウム金属電極10b、正極電極30、電気絶縁体20、および密封フレーム40を備える。第2の集電体302および正極活物質層304を備える正極電極30は、リチウム金属電極10bに対応して配置される。電気絶縁体20は、正極電極30とリチウム金属電極10bの間に配置される。密封フレーム40は、密封するために、リチウム金属電極10bの第1の集電体102と正極電極30の第2の集電体302の両方だけの内周上に配置される。
密封フレーム40の大部分は、リチウム金属電極10bおよび/または正極電極30の周囲の内部に直交して配置される。すなわち、密封フレーム40の大部分は、リチウム金属電極10bの第1の集電体102と正極電極30の第2の集電体302の両方の外周に押し出されるのではなく、リチウム金属電極102の内面上に、および正極電極302の内面上に配置される。当然のことながら、上述は主に密封フレーム40の大部分に関する、すなわち、第1の集電体102および第2の集電体302が同一範囲を有しない場合などの特定の場合には、密封フレーム40のいくつかの部分は、リチウム金属電極10bの第1の集電体102と正極電極30の第2の集電体302の両方の外周に向かって押し出される。
上述の電気絶縁体20はイオン導電性であり、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、セラミックセパレータ、または固体電解質とすることが可能である。リチウム金属電池50の電解質システムが、液相電解質、ゲル相電解質、またはハイブリッド相電解質を有するとき、電気絶縁体20は、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、および/またはセラミックセパレータから選択できる。リチウム金属電池50の電解質が固相電解質であるとき、電気絶縁体20は固体電解質とすることが可能である。
本発明の仕組みが、本明細書で以下に開示される。絶縁層および阻止層は、集電体上に順に配置される。リチウム金属層は、絶縁層の第1のスルーホールに従って露出した集電体の面上に配置される。イオン拡散層は第1のスルーホールの内部に配置される。それに応じて、電解質からのリチウムイオンは、阻止層の第2のスルーホールを通って移動し、絶縁層の第1のスルーホールの内部で、液体電解質および/またはゲル電解質で湿った、または染色されたイオン拡散層に接近する。
リチウムイオンは、イオン拡散層の粒子および/または繊維によって形成された小孔を通って転送されることが可能である。場合によっては、リチウムイオンはデンドライトとして析出する、またはイオン拡散層の外面上にSEIを形成する。リチウムデンドライトは、イオン拡散層の小孔の内部で析出し、剥離する。析出する間、リチウムデンドライトはイオン拡散層の粒子および/または繊維に付着して、固体電解質界面(SEI)の強度を高める。すなわち、SEIの表面張力は、イオン拡散層にうまく付着することによって解放され、その結果、SEIははるかに安定する。
SEIの厚さ(およそ10〜50ナノメートル)と比較して、リチウムデンドライトの析出/剥離の体積変化(15〜20ミクロン)はあまりにも大きすぎ、SEIは、イオン拡散層からの支持を提供することがなければ、リチウムデンドライトの析出および/または剥離の間にひどく損傷する。粒子および/または繊維を有するイオン拡散層は、SEIのための支持を提供して、電池の容量損失を低減でき、特定の条件の下で、SEIを形成する反応と反応さえできる。
多孔性電気絶縁体層の阻止層は、阻止層の構造強度のために、充電中にリチウムデンドライトの析出の高さを効率的に抑制する。リチウムデンドライトは主に水平方向に析出し、その結果、絶縁層によって形成された特有の領域はリチウムデンドライト析出のために非常に効率的に使用される。したがって、リチウムデンドライトは電気絶縁体を貫通せずに、電池の内部短絡を回避する。その一方で、リチウムデンドライトは、垂直方向に向かうのではなく放射方向に向かって析出し、その結果、電池の厚さが通常状態から極端に外れて確認されることがない。
イオン拡散層の粒子および/または繊維によって生成された面および/または小孔は、液体および/またはゲルの電解質のための分岐の役割を果たすことが可能であり、その結果、リチウムデンドライトの析出/剥離は、電解質の連続界面にとってより効率的になる可能性がある。
また、リチウムデンドライトと電解質の間の界面は、完全な状態を保つことが可能であり、その結果、界面の抵抗を低減でき、界面の過電圧を制御することによってリチウムデンドライト析出の一様性を現すことが可能である。
その結果として、絶縁層と阻止層の両方は、リチウムデンドライトの形成方向を抑制するのに十分な構造強度を有し、その結果、絶縁層および阻止層のヤング率は十分高くなければならない。さらに、リチウム金属電極は、絶縁層が第1のスルーホールをより多く有するときに、より可撓性があるようになり、対照的に、リチウム金属電極は、絶縁層が第1のスルーホールをより少なく有するときに、より剛性を有するようになる。
従来技術と比較して、本発明で開示されるリチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池は、電気的に絶縁された多孔性電気絶縁層によって電池の安全性を改善して、リチウムデンドライトの形成の方向および範囲を抑制できる。
このように本発明について説明してきたが。本発明を多くの方法で変えてもよいことは明らかであろう。そのような変更は、本発明の趣旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、そのような修正はすべて、以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されることは当業者に明らかである。

Claims (23)

  1. 集電体と、
    少なくとも1つの第1のスルーホールを有し、前記集電体の一方の面を部分的に前記少なくとも1つの第1のスルーホールに応じて露出させ、前記集電体の前記一方の面の残りの部分を覆うように当該集電体の当該一方の面上に配置された絶縁層、および、当該絶縁層上に前記集電体に隣接せずに配置され、前記少なくとも1つの第1のスルーホールよりも小さな直径を有する複数の第2のスルーホールを有する阻止層を有する、前記集電体に隣接して配置された多孔性電気絶縁層と、
    前記絶縁層の前記少なくとも1つの第1のスルーホールの内部、且つ、前記阻止層および前記第2のスルーホールの下側に完全にあるように配置された、多孔性を有する少なくとも1つのイオン拡散層と、
    前記絶縁層の前記少なくとも1つの第1のスルーホールに応じて露出した前記集電体の前記一方の面上に配置されたリチウム金属層と、
    を備えるリチウム金属電極。
  2. 前記集電体は固体または多孔質であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  3. 前記絶縁層および/または前記阻止層は単層構造または多層構造であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  4. 前記絶縁層および/または前記阻止層の材料は、絶縁重合体材料、絶縁セラミック材料、絶縁ガラス材料、絶縁ガラス繊維材料、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする、請求項3に記載のリチウム金属電極。
  5. 前記絶縁層の開口比は40%−99.5%の範囲であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  6. 前記絶縁層は、前記少なくとも1つの第1のスルーホールとして、複数の第1のスルーホールを有することを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  7. 前記絶縁層の前記複数の第1のスルーホールの直径は一様である、または、一様ではないことを特徴とする、請求項6に記載のリチウム金属電極。
  8. 前記複数の第1のスルーホールの直径は50ミクロン以上であることを特徴とする、請求項7に記載のリチウム金属電極。
  9. 前記絶縁層の開口比は25%−80%の範囲であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  10. 前記第2のスルーホールの直径は一様である、または、一様ではないことを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  11. 前記第2のスルーホールの直径は1ミクロン以下であることを特徴とする、請求項10に記載のリチウム金属電極。
  12. 前記多孔性電気絶縁層の厚さは16−65ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  13. 前記絶縁層の厚さは15−40ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  14. 前記阻止層の厚さは1−25ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  15. 前記リチウム金属層の厚さは0.3−5ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  16. 前記集電体は第1の密着層によって前記絶縁層に密着することを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  17. 前記第1の密着層の厚さは1−30ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項16に記載のリチウム金属電極。
  18. 前記絶縁層は第2の密着層によって前記阻止層に密着することを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  19. 前記第2の密着層の厚さは1−30ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項18に記載のリチウム金属電極。
  20. 前記少なくとも1つのイオン拡散層は、アニオンおよび/またはカチオンを運ぶ帯電面を有するようにさらに処理されることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム金属電極。
  21. リチウム金属電極であって、
    第1の集電体と、
    少なくとも1つの第1のスルーホールを有し、前記第1の集電体の一方の面を部分的に前記少なくとも1つの第1のスルーホールに応じて露出させ、前記第1の集電体の前記一方の面の残りの部分を覆うように当該第1の集電体の当該一方の面上に配置された絶縁層、および、当該絶縁層上に前記第1の集電体に隣接せずに配置され、前記少なくとも1つの第1のスルーホールよりも小さな直径を有する複数の第2のスルーホールを有する阻止層を有する、前記第1の集電体に隣接して配置された多孔性電気絶縁層と、
    前記絶縁層の前記少なくとも1つの第1のスルーホールの内部、且つ、前記阻止層および前記第2のスルーホールの下側に完全にあるように配置された、多孔性を有する少なくとも1つのイオン拡散層と、
    前記絶縁層の前記少なくとも1つの第1のスルーホールに応じて露出した前記第1の集電体の前記一方の面上に配置されたリチウム金属層と、
    を有するリチウム金属電極と、
    前記リチウム金属電極に対応して配置され、第2の集電体および正極活物質層を有する正極電極と、
    前記正極電極と前記リチウム金属電極の間に配置され、少なくとも1つの電解質を有する電気絶縁体と、
    密封のため、前記リチウム金属電極の前記第1の集電体と前記正極電極の前記第2の集電体との双方の内周のみに配置された密封フレームと、
    を備えたことを特徴とするリチウム金属電池。
  22. 前記電気絶縁体は、イオン導電性であり、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、セラミックセパレータ、または固体セパレータであることを特徴とする、請求項21に記載のリチウム金属電池。
  23. 前記密封フレームの大部分は、前記リチウム金属電極および/または前記正極電極の周囲内に直交して配置されることを特徴とする、請求項21に記載のリチウム金属電池。
JP2017197815A 2016-10-12 2017-10-11 リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池 Active JP6602359B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662406998P 2016-10-12 2016-10-12
US62/406,998 2016-10-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018073817A true JP2018073817A (ja) 2018-05-10
JP6602359B2 JP6602359B2 (ja) 2019-11-06

Family

ID=60080670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017197815A Active JP6602359B2 (ja) 2016-10-12 2017-10-11 リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10665844B2 (ja)
EP (1) EP3309874B1 (ja)
JP (1) JP6602359B2 (ja)
KR (1) KR102039156B1 (ja)
CN (1) CN107946543B (ja)
ES (1) ES2873258T3 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023008460A1 (ja) * 2021-07-29 2023-02-02 パナソニックIpマネジメント株式会社 リチウム二次電池

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11881560B2 (en) 2016-10-12 2024-01-23 Prologium Technology Co., Ltd. Lithium battery structure and electrode layer thereof
CN109273668B (zh) * 2018-09-27 2021-04-06 宁德新能源科技有限公司 负极极片及包含其的电化学装置
CN109935783B (zh) * 2019-02-21 2021-02-19 宁德新能源科技有限公司 电化学装置和电子装置
KR20200122660A (ko) * 2019-04-18 2020-10-28 주식회사 엘지화학 전고체 전지용 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지
CN112216818B (zh) * 2019-07-11 2022-02-08 比亚迪股份有限公司 一种锂离子电池负极及其制备方法、锂离子电池和电池模组
CN112786969B (zh) * 2019-11-08 2023-08-29 辉能科技股份有限公司 锂电池结构及其极层结构
KR102406330B1 (ko) * 2019-11-29 2022-06-08 한국제이씨씨(주) 평판형 리튬 전극
US20240047764A1 (en) * 2020-11-20 2024-02-08 Lg Energy Solution, Ltd. Lithium-free secondary battery
CN113644233B (zh) * 2021-08-20 2023-02-10 广州小鹏汽车科技有限公司 负极结构及锂离子电池
TWI762418B (zh) 2021-09-03 2022-04-21 輝能科技股份有限公司 鋰金屬極板
EP4216296A4 (en) 2021-12-01 2023-12-27 Contemporary Amperex Technology Co., Limited POSITIVE ELECTRODE SHEET AND SECONDARY BATTERY INCLUDING SAME, BATTERY MODULE, BATTERY PACK AND POWER CONSUMING DEVICE
CN114678515B (zh) * 2022-04-12 2024-05-31 珠海中科先进技术研究院有限公司 一种多孔聚合物涂层铜电极及其制备方法和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08255610A (ja) * 1995-03-17 1996-10-01 Canon Inc リチウム二次電池
JP2011103256A (ja) * 2009-11-11 2011-05-26 Toyota Motor Corp リチウム二次電池用負極およびその製造方法
JP2016521902A (ja) * 2013-07-03 2016-07-25 シオン・パワー・コーポレーション 再充電式リチウム電池を含む電気化学電池における電極保護用のセラミック/ポリマーマトリックス
US20160293943A1 (en) * 2015-03-30 2016-10-06 SolidEnergy Systems Composite coating systems and methods for lithium metal anodes in battery applications

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101055536B1 (ko) * 2009-04-10 2011-08-08 주식회사 엘지화학 다공성 코팅층을 포함하는 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자
KR20120122674A (ko) * 2011-04-29 2012-11-07 삼성전자주식회사 리튬 이차 전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 이차 전지
US9379368B2 (en) * 2011-07-11 2016-06-28 California Institute Of Technology Electrochemical systems with electronically conductive layers
US8999602B2 (en) * 2012-02-27 2015-04-07 Basf Se Separators for electrochemical cells comprising polymer particles
JP6219273B2 (ja) * 2012-05-22 2017-10-25 三洋電機株式会社 リチウム二次電池用負極、リチウム二次電池、及びリチウム二次電池用負極の製造方法
CN104871346B (zh) * 2013-11-04 2017-10-13 株式会社Lg 化学 形成二次电池用粘合层的方法
US20150194654A1 (en) * 2014-01-06 2015-07-09 Apple Inc. Thermally curable composite separators for batteries in portable electronic devices
DE102014213679A1 (de) * 2014-07-15 2016-01-21 Robert Bosch Gmbh Separator mit kraftschlüssig eingespannten Partikeln
DE102014221261A1 (de) * 2014-10-20 2016-04-21 Robert Bosch Gmbh Separator und galvanische Zelle mit robuster Trennung von Kathode und Anode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08255610A (ja) * 1995-03-17 1996-10-01 Canon Inc リチウム二次電池
JP2011103256A (ja) * 2009-11-11 2011-05-26 Toyota Motor Corp リチウム二次電池用負極およびその製造方法
JP2016521902A (ja) * 2013-07-03 2016-07-25 シオン・パワー・コーポレーション 再充電式リチウム電池を含む電気化学電池における電極保護用のセラミック/ポリマーマトリックス
US20160293943A1 (en) * 2015-03-30 2016-10-06 SolidEnergy Systems Composite coating systems and methods for lithium metal anodes in battery applications

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023008460A1 (ja) * 2021-07-29 2023-02-02 パナソニックIpマネジメント株式会社 リチウム二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180040494A (ko) 2018-04-20
JP6602359B2 (ja) 2019-11-06
EP3309874A1 (en) 2018-04-18
US20180102522A1 (en) 2018-04-12
ES2873258T3 (es) 2021-11-03
KR102039156B1 (ko) 2019-10-31
EP3309874B1 (en) 2021-04-21
CN107946543A (zh) 2018-04-20
CN107946543B (zh) 2020-07-14
US10665844B2 (en) 2020-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6602359B2 (ja) リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池
JP6602360B2 (ja) リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池
Higashi et al. Avoiding short circuits from zinc metal dendrites in anode by backside-plating configuration
US10483534B2 (en) Lithium metal anode electrode
US20200194833A1 (en) Rechargeable battery with anion conducting polymer
US20180102547A1 (en) Current Collector
US20120288736A1 (en) Energy storage apparatus and method for manufacturing the same
CN107452928B (zh) 电能供应系统及其陶瓷隔离层
JP6141528B2 (ja) リチウムイオン蓄電池用のリチウム電極及びその製造方法
KR20200012591A (ko) 전극용 집전체
US20230120508A1 (en) Battery and electric apparatus having such battery
KR20160050403A (ko) 이차 전지용 집전체와 전극 및 이를 포함한 이차 전지
CN219610486U (zh) 复合集流体、极片及电池
KR20140078173A (ko) 리튬 이차 전지 및 이의 제조방법
JP2017111924A (ja) 全固体電池
TWI633696B (zh) 鋰金屬極板及其應用之鋰金屬電池
KR20080109237A (ko) 세라믹 세퍼레이터 형성방법
TWI631751B (zh) 鋰金屬極板及其應用之鋰金屬電池
US11862801B1 (en) Metallized current collector for stacked battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171219

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20181217

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190108

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20190204

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190401

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190924

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20191008

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6602359

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250