RU2626457C1 - Пористый литиевый анод - Google Patents
Пористый литиевый анод Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626457C1 RU2626457C1 RU2016111964A RU2016111964A RU2626457C1 RU 2626457 C1 RU2626457 C1 RU 2626457C1 RU 2016111964 A RU2016111964 A RU 2016111964A RU 2016111964 A RU2016111964 A RU 2016111964A RU 2626457 C1 RU2626457 C1 RU 2626457C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current collector
- anode according
- thickness
- middle layer
- lithium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области создания отрицательных электродов (анодов) для литиевых вторичных химических источников тока (аккумуляторов). Пористый литиевый анод содержит токосъемник из металла, на поверхность которого нанесено многослойное покрытие, содержащее три слоя. Внутренний слой, нанесенный на токосъемник, выполнен из пористой углеродной матрицы, содержащей вертикально ориентированные углеродные наночастицы. Средний слой, напыленный на внутренний слой, выполнен из металла, а наружный слой, напыленный на средний слой, выполнен из металлического лития. Изобретение позволяет увеличить удельную емкость и количество циклов перезарядки аккумулятора, снизить дендритообразование и перенапряжение. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявленное изобретение относится к области создания отрицательных электродов (анодов) для литиевых вторичных химических источников тока (аккумуляторов).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из предшествующего уровня техники известно, что для защиты литиевого анода от образования дендритов могут быть использованы литиевые аноды с защитными полимерными, керамическими, полимер-керамическими покрытиями (US 2013/0236764 A1, 12.09.2013).
Тем не менее, такие покрытия могут подвергаться разрушению в ходе перезаряда аккумулятора, что приводит к падению удельной емкости до 30% за 30 циклов перезарядки.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является использование в качестве анода пористых металлов, способных интеркалировать литий (JP 2006/260886 A, 16.03.2005), что предотвращает рост литиевых дендритов.
Пористая структура в этом случае препятствует разрушению анода при больших изменениях объема, которыми сопровождается разряд и заряд аккумулятора. Тем не менее, удельная емкость интеркаляционных материалов оказывается существенно ниже по сравнению с удельной емкостью металлического литиевого анода, что приводит к снижению удельной емкости аккумулятора в целом.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявленной группы изобретений является разработка отрицательного электрода для вторичных аккумуляторов с пористым покрытием, обеспечивающего устойчивое циклирование и удельную емкость аккумулятора.
Техническим результатом изобретения является увеличение удельной емкости и количества циклов перезарядки аккумулятора, снижение дендритообразования и перенапряжения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что пористый литиевый анод содержит токосъемник из металла, на поверхность которого нанесено многослойное покрытие, содержащее три слоя. При этом внутренний слой, нанесенный на токосъемник, выполнен из пористой углеродной матрицы, содержащей вертикально ориентированные углеродные наночастицы, средний слой, напыленный на внутренний слой, выполнен из металла, а наружный слой, напыленный на средний слой, выполнен из металлического лития.
Токосъемник выполнен из нержавеющей стали, никеля, меди или алюминия.
Токосъемник выполнен в виде пластины, сетки или фольги.
Токосъемник выполнен плоским или цилиндрическим.
Наночастицы представляют собой углеродные нанотрубки, углеродные наностенки или кристаллиты графита.
Наночастицы выполнены толщиной 10-100 нм, длиной 100-10000 нм.
Средний слой выполнен из никеля, меди или алюминия.
Средний слой выполнен толщиной 10-100 нм.
Наружный слой выполнен толщиной 10-100 нм.
Внутренний слой выполнен толщиной 100-10000 нм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 - Пористый литиевый анод с многослойным покрытием;
Фиг. 2 - Микрофотография анода, содержащего пористую углеродную матрицу и вертикально ориентированные углеродные наночастицы, с последовательно напыленными слоям никеля толщиной 50 нм и лития толщиной 50 нм;
Фиг. 3 - Разрядно-зарядные кривые электрохимические ячейки с плотностью тока 0,25 мА/см2, содержащие плоский литиевый анод и пористый литиевый анод, содержащий пористую углеродную матрицу и вертикально ориентированные углеродные наночастицы, с последовательно напыленными слоям никеля толщиной 10 нм и лития толщиной 10 нм.
1 - токосъемник, 2 - внутренний слой, 3 - средний слой, 4 - наружный слой.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с фиг. 1 пористый литиевый анод содержит токосъемник (1) из металла, на поверхность которого нанесено многослойное покрытие, содержащее три слоя. При этом внутренний слой (2), нанесенный на токосъемник (1), выполнен из пористой углеродной матрицы (фиг. 2), содержащей вертикально ориентированные углеродные наночастицы, средний слой (3), напыленный на внутренний слой (2), выполнен из металла, а наружный слой (4), напыленный на средний слой (3), выполнен из металлического лития.
Внутренний слой (3) обеспечивает увеличение площади поверхности, приводящее к снижению плотности тока, следовательно, снижаются локальные перенапряжения на аноде, которые являются причиной формирования дендритов. Внутренний слой (3) необходим для того, чтобы наружный слой (4) лития не находился в непосредственном контакте с углеродной матрицей и не встраивался в структуру углерода, а оставался в металлическом состоянии для обеспечения высокой удельной емкости 500 мА/г, при более чем после 30 циклов перезаряда, за счет снижения дендритообразования.
Токосъемник (1) выполнен из нержавеющей стали, никеля, меди или алюминия.
Токосъемник (1) выполнен в виде пластины, сетки или фольги.
Токосъемник (1) выполнен плоским или цилиндрическим.
Наночастицы представляют собой углеродные нанотрубки, углеродные наностенки или кристаллиты графита.
Наночастицы выполнены толщиной 10-100 нм, длиной 100-10000 нм, указанные размеры наночастиц обеспечивает устойчивую пористую структуру, обеспечивающую максимально необходимую величину площади поверхности электрода, что позволяет достигнуть устойчивой циклируемости и заявленной величины удельной емкости.
Средний слой (3) выполнен из никеля, меди или алюминия.
Средний слой (3) выполнен толщиной 10-100 нм.
Наружный слой (4) выполнен толщиной 10-100 нм.
Минимальная толщина среднего (3) и наружного (4) слоев обеспечивает сплошность каждого слоя, максимальная толщина среднего (3) и наружного (4) слоев позволяет не блокировать открытые поры, так как блокировка пор снизит площадь поверхности анода.
Внутренний слой (2) выполнен толщиной 10-1000 нм. Минимальная толщина внутреннего слоя (2) обеспечивает возможность получения пористой углеродной матрицы, увеличение максимальной толщины существенно уменьшит размер пор, соответственно, уменьшится возможная толщина слоя лития, которую можно будет напылить без блокировки пор.
Внутренний слой (2) формируют методами плазмохимии, газофазного осаждения или электроспреевого осаждения. При формировании внутреннего слоя (2) указанными выше методами сначала на токосъемнике (1) формируются участки плоского графена, которые затем срастаются и в местах стыков начинают расти вверх. Пористость среднего слоя составляет 50-80%.
Средний слой (3) напыляют методами атомно-солевого осаждения, химического осаждения из газовой фазы, физического осаждения из газовой фазы или электроосаждения.
Наружный слой (4) напыляют методами физического осаждения из газовой фазы или электроосаждения.
Заявленный анод применяют в литиевом аккумуляторе, содержащем катод и электролит.
Материал катода выбран из группы: ацетиленовая сажа, графен, углеродные нанотрубки, оксиды переходных металлов, соединения со структурой перовскита, оливина или шпинели.
Электролит включает соль, растворенную в растворителе и выбранную из группы: перхлорат лития, гексафторфосфат лития, тетрафторборат лития.
Растворитель выбран из группы: пропиленкарбонат, этиленкарбонат, бутиленкарбонат, диметилкарбонат, этилметилкарбонат, диэтилкарбонат, 1,2-диметоксиэтан, 1,3-диоксолан, тетрагидрофуран, диметиловый эфир диэтиленгликоля, диметиловый эфир триэтиленгликоля, дибутиловый эфир диэтиленгликоля, диметилсульфоксид, гексафторфосфат 1-этил-3-метилимидазолия, тетрафторборат 1-этил-3-метилимидазолия, бис-трифторметилсульфонилимид 1-этил-3-метилимидазолия, гексафторфосфат 1-бутил-3-метилимидазолия, бис-трифторметилсульфонилимид 1-бутил-3-метилимидазолия, гексафторфосфат 1-метил-1-пропилпиперидиния, бис-трифторметилсульфонилимид 1-метил-1-пропилпиперидиния или их различные смеси.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить пористый анод, позволяющий увеличить удельную емкость и количество циклов перезарядки аккумулятора, снизить дендритообразование и перенапряжение.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.
Claims (10)
1. Пористый литиевый анод, содержащий токосъемник из металла, на поверхность которого нанесено многослойное покрытие, содержащее три слоя, при этом внутренний слой, нанесенный на токосъемник, выполнен из пористой углеродной матрицы, содержащей вертикально ориентированные углеродные наночастицы, средний слой, напыленный на внутренний слой, выполнен из металла, а наружный слой, напыленный на средний слой, выполнен из металлического лития.
2. Анод по п. 1, отличающийся тем, что токосъемник выполнен из нержавеющей стали, никеля, меди или алюминия.
3. Анод по п. 2, отличающийся тем, что токосъемник выполнен в виде пластины, сетки или фольги.
4. Анод по п. 3, отличающийся тем, что токосъемник выполнен плоским или цилиндрическим.
5. Анод по п. 1, отличающийся тем, что наночастицы представляют собой углеродные нанотрубки, углеродные наностенки или кристаллиты графена.
6. Анод по п. 5, отличающийся тем, что наночастицы выполнены толщиной 10-100 нм, длиной 100-10000 нм.
7. Анод по п. 1, отличающийся тем, что средний слой выполнен из никеля, меди или алюминия.
8. Анод по п. 7, отличающийся тем, что средний слой выполнен толщиной 10-100 нм.
9. Анод по п. 1, отличающийся тем, что наружный слой выполнен толщиной 10-100 нм.
10. Анод по п. 1, отличающийся тем, что внутренний слой выполнен толщиной 100-10000 нм.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016111964A RU2626457C1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-03-30 | Пористый литиевый анод |
PCT/RU2016/000546 WO2017171580A1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-08-15 | Пористый литиевый анод |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016111964A RU2626457C1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-03-30 | Пористый литиевый анод |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2626457C1 true RU2626457C1 (ru) | 2017-07-28 |
Family
ID=59632215
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016111964A RU2626457C1 (ru) | 2016-03-30 | 2016-03-30 | Пористый литиевый анод |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2626457C1 (ru) |
WO (1) | WO2017171580A1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112825354A (zh) * | 2019-11-20 | 2021-05-21 | 郑州宇通集团有限公司 | 锂负极及其制备方法、锂二次电池 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1780479A1 (ru) * | 1990-10-17 | 1995-09-27 | Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт химических источников тока Научно-производственного объединения "Авангард" | Химический источник тока системы диоксид марганца - литий |
RU2205392C1 (ru) * | 2002-02-04 | 2003-05-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Устройство для определения электрических параметров жидкой среды |
JP2003263979A (ja) * | 2002-03-12 | 2003-09-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非水電解質二次電池およびその製造法 |
JP2004095201A (ja) * | 2002-08-29 | 2004-03-25 | Electric Power Dev Co Ltd | 負極材料、その製造方法、及びそれを用いた非水系2次電池 |
RU2352029C2 (ru) * | 2004-07-27 | 2009-04-10 | Оксис Энерджи Лимитед | Электрод, способ его изготовления и содержащая его аккумуляторная батарея |
-
2016
- 2016-03-30 RU RU2016111964A patent/RU2626457C1/ru active
- 2016-08-15 WO PCT/RU2016/000546 patent/WO2017171580A1/ru active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1780479A1 (ru) * | 1990-10-17 | 1995-09-27 | Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт химических источников тока Научно-производственного объединения "Авангард" | Химический источник тока системы диоксид марганца - литий |
RU2205392C1 (ru) * | 2002-02-04 | 2003-05-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Устройство для определения электрических параметров жидкой среды |
JP2003263979A (ja) * | 2002-03-12 | 2003-09-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非水電解質二次電池およびその製造法 |
JP2004095201A (ja) * | 2002-08-29 | 2004-03-25 | Electric Power Dev Co Ltd | 負極材料、その製造方法、及びそれを用いた非水系2次電池 |
RU2352029C2 (ru) * | 2004-07-27 | 2009-04-10 | Оксис Энерджи Лимитед | Электрод, способ его изготовления и содержащая его аккумуляторная батарея |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112825354A (zh) * | 2019-11-20 | 2021-05-21 | 郑州宇通集团有限公司 | 锂负极及其制备方法、锂二次电池 |
CN112825354B (zh) * | 2019-11-20 | 2023-03-21 | 郑州宇通集团有限公司 | 锂负极及其制备方法、锂二次电池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2017171580A1 (ru) | 2017-10-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9379387B2 (en) | Cathode current collector coated with primer and magnesium secondary battery comprising the same | |
TWI536637B (zh) | 鋰電極以及含彼之鋰二次電池組 | |
JP4249607B2 (ja) | 単イオン伝導体を含むリチウム2次電池用の複合高分子電解質およびその製造方法 | |
JP5334156B2 (ja) | 非水電解液二次電池の製造方法 | |
WO2002058182A1 (fr) | Batterie secondaire au lithium | |
JP2004134403A (ja) | リチウム電池用リチウムメタル・アノード | |
CN106165178A (zh) | 具有复合固体电解质的Li/金属电池 | |
KR20150138264A (ko) | 리튬-이온 커패시터용 복합체 전극 | |
KR20050118214A (ko) | 2 차 전지용 비수계 전해액 및 비수계 전해질 2 차 전지 | |
JP4635407B2 (ja) | 二次電池用非水系電解液及び非水系電解液二次電池 | |
CN111490252A (zh) | 锂金属保护层及其制备方法以及具有该保护层的电池 | |
US20130058009A1 (en) | Metal current collector, method for preparing the same, and electrochemical capacitors with same | |
JP2008117574A (ja) | リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池用負極板の製造方法 | |
JP2007042329A (ja) | リチウム二次電池 | |
WO2013054710A1 (ja) | リチウムイオンキャパシタ、および蓄電デバイス、蓄電システム | |
Kim et al. | Composite protection layers for dendrite-suppressing non-granular micro-patterned lithium metal anodes | |
JP4524543B2 (ja) | 二次電池用非水系電解液及び非水系電解液二次電池 | |
WO2019230322A1 (ja) | リチウムイオン二次電池用負極 | |
JP2008210564A (ja) | 非水電解質二次電池用集電体、非水電解質二次電池用電極及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 | |
US20140315084A1 (en) | Method and apparatus for energy storage | |
JP2008198408A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
JP2013077734A (ja) | 電極およびその製造方法 | |
RU2626457C1 (ru) | Пористый литиевый анод | |
US20130058010A1 (en) | Metal current collector, method for preparing the same, and electrochemical capacitors with same | |
TW201340449A (zh) | 鋰電池負極及鋰電池 |