TW201640731A - 電池隔離件上的鋰金屬塗層 - Google Patents

電池隔離件上的鋰金屬塗層 Download PDF

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Abstract

鋰離子電池可包含正電極、負電極以及塗覆有鋰金屬薄膜的隔離件，該鋰之厚度小於或等於足以補償在電池的第一循環期間的不可逆鋰損失的厚度。此外，可存在位於隔離件上介於隔離件與鋰金屬薄膜之間的陶瓷層。此外，可存在位於陶瓷層與鋰金屬薄膜之間的阻障層，其中該阻障層阻止鋰樹枝狀晶體的形成。此外，該隔離件可具有孔隙，該等孔隙可用鋰離子傳導聚合物、可溶於液體電解質中的黏合劑以及鋰離子傳導陶瓷材料中的一種或多種來填充。本案還描述了用於製造此類電池隔離件以及亦用於製造基於鋰金屬的電池的部件的方法及設備。

Description

電池隔離件上的鋰金屬塗層 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張在2015年1月9日提出申請的美國臨時申請案第62/101,794號的權益。
本揭示案的實施例大體係關於鋰電池，製造鋰電池的方法，以及用於製造鋰電池的設備。
鋰電池一般在第一操作循環期間遭受不可逆的鋰損失。存在對可輕易適應此鋰損失的改良鋰電池設計、製造該等改良電池的方法，以及用於製造該等改良電池的設備的需要。
本揭示案描述了用於鋰離子電池的鋰金屬塗覆隔離件，用於製造該鋰金屬塗覆隔離件的方法，以及用於製造該鋰金屬塗覆隔離件的設備。
根據一些實施例，鋰離子電池可包含：正電極；負電極；以及在正電極與負電極之間的隔離件，該隔離件塗覆有鋰金屬薄膜，該鋰金屬薄膜具有小於或等於足以補償在鋰離子電池的第一循環期間不可逆的鋰金屬損失的厚度。
根據一些實施例，製造電池隔離件的方法可包含：在隔離件膜上沉積鋰金屬薄膜，其中鋰金屬薄膜厚度為至少1微米，並且其中該沉積不填充隔離件膜的孔隙。
根據一些實施例，製造鋰金屬塗覆電池隔離件的裝置可包含：捲盤至捲盤系統，其用於傳送連續的隔離件膜通過一個或多個模組；以及第一模組，其用於在隔離件膜上沉積鋰金屬薄膜，第一模組配置用於藉由選自由以下項組成的群組的製程來沉積鋰金屬薄膜：物理氣相沉積、電子束蒸發、薄膜轉移以及狹縫式擠壓沉積(slot die deposition)，並且其中第一模組進一步配置用於在不填充隔離件膜的孔隙的情況下沉積鋰金屬薄膜。
100‧‧‧電池單元
110‧‧‧正集電器
120‧‧‧正電極
130‧‧‧隔離件
131‧‧‧隔離件膜
132‧‧‧孔隙
133‧‧‧陶瓷塗層
134‧‧‧阻障層
135‧‧‧鋰金屬薄膜
136‧‧‧防護塗層
140‧‧‧負電極
150‧‧‧負集電器
300‧‧‧捲筒工具
310‧‧‧隔離件材料片層
312‧‧‧捲盤
314‧‧‧捲盤
320‧‧‧模組
330‧‧‧模組
340‧‧‧模組
342‧‧‧物理氣相沉積(PVD)來源
350‧‧‧模組
360‧‧‧區域
400‧‧‧捲筒工具
440‧‧‧鋰金屬沉積模組
442‧‧‧鋰金屬來源
444‧‧‧鋰金屬薄膜
446‧‧‧鼓輪
448‧‧‧鼓輪
500‧‧‧捲筒工具
540‧‧‧鋰金屬沉積模組
542‧‧‧鋰金屬來源
544‧‧‧鼓輪
在結合附圖閱讀本發明的特定實施例的以下描述之後，本揭示案的該等及其他態樣和特徵將變得對本領域一般技藝人士顯而易見，在該等附圖中：第1圖是根據一些實施例，鋰離子電池的第一實例的橫截面表示；第2圖是根據一些實施例，用於鋰離子電池的經塗覆隔離件的橫截面表示；第3圖是根據一些實施例，用於形成鋰金屬塗覆隔離件的第一捲筒工具； 第4圖是根據一些實施例，用於形成鋰金屬塗覆隔離件的第二捲筒工具；以及第5圖是根據一些實施例，用於形成鋰金屬塗覆隔離件的第三捲筒工具。
現將參照圖式詳細描述本揭示案的實施例，該等實施例提供作為本揭示案的說明性實例，以便本領域技術熟練者能夠實踐本揭示案。應注意，以下圖式和實例並不意圖限制本揭示案的範疇為單一實施例，而是經由互換一些或者所有所描述或圖示的構件，其他實施例亦為可能的。此外，其中本揭示案的某些構件可以使用已知元件部分或完全地實施，將僅描述此類已知元件中理解本揭示案所必需的部分，並且將省去對此類已知元件的其他部分的詳細描述，以免模糊本揭示案。在本揭示案中，圖示單一元件的實施例不應視為限制，更確切地，本揭示案意圖包括包含多個相同元件的其他實施例，並且反之亦然，除非本文以其他方式明確地說明。此外，本申請人並非意欲將本揭示案中的任何術語歸於罕見的或特定的含義，除非文中明確地闡述為是罕見的或特定的含義。此外，本揭示案涵蓋在本文以舉例方式提到的所述已知元件的現在和將來的已知的等效物。
根據一些實施例，鋰電池可包含正電極、負電極，以及塗覆有鋰金屬薄膜的隔離件。此外，該鋰金屬薄膜可恰好足以補償在電池的第一循環期間不可逆的 鋰金屬損失，該鋰金屬薄膜在一些實施例中可為厚度為1至5微米的鋰金屬薄膜。在一些實施例中，為了降低電池短路的可能性，鋰金屬薄膜應當小於或等於補償不可逆損失所需的鋰量，以使得在鋰電池的形成循環期間所有的鋰金屬薄膜將從隔離件移除到負電極。此外，可存在位於隔離件上介於隔離件與鋰金屬薄膜之間的陶瓷層。此外，可存在位於陶瓷層與鋰金屬薄膜之間的阻障層，其中該阻障層是由諸如以下者的材料形成：鋁及鋯的氧化物以及氮氧化物，鋁/矽的氮化物、鋁酸鋰、硝酸鋰、硼酸鋰、鋯酸鋰鑭，等等。該阻障層可作用於阻止鋰金屬樹枝狀晶體的形成和/或幫助增大隔離件的離子電導率。此外，該隔離件可具有孔隙並且隔離件中的該等孔隙可用鋰離子傳導聚合物、可溶於液體電解質中的黏合劑，或者鋰離子傳導陶瓷材料(其中陶瓷材料在與鋰金屬薄膜界面處為連續的)填充。
第1圖圖示根據一些實施例，具有經塗覆的隔離件的示例性鋰離子電池結構。電池單元100具有正集電器110、正電極120、經塗覆的隔離件130、負電極140，以及負集電器150。應注意的是，在第1圖中集電器圖示為延伸超出堆疊，但是集電器並非必須延伸超出堆疊，延伸超出堆疊的部分可用作接頭。分別在正電極和負電極上的集電器110、150可為相同或不同的電子導體。用於集電器的示例性材料為銅、鋁、碳、鎳、金屬合金等等。此外，集電器可為任何形狀因數、形狀 以及微觀/巨觀結構。通常，在方形蓄電池中，接頭是以與集電器相同的材料形成並且可在堆疊製造期間形成或者在之後添加。除集電器110與150之外的所有部件含有鋰離子電解質。
舉例來說，在本揭示案的鋰離子電池單元的一些實施例中，鋰在負電極處包含在碳石墨的晶體結構的原子層(LiC6)中並且在正電極處包含在鋰錳氧化物(LiMnO4)或者鋰鈷氧化物(LiCoO2)中，但是在一些實施例中負電極亦可包括鋰吸收材料如矽、錫等等。該電池單元雖然圖示為平面結構，但是亦可藉由捲起層的堆疊而形成為圓柱體；此外，可形成其他電池單元構造。
灌注在電池單元部件120、130以及140中的電解質可由液體/凝膠或者固體聚合物組成並且可各自不同。
第2圖更詳細地圖示經塗覆的隔離件130的一實施例。經塗覆的隔離件130包含：具有孔隙132的隔離件膜131；隔離件膜上的陶瓷塗層133；在陶瓷塗層與鋰金屬薄膜135之間的阻障層134；以及防護塗層136。在各實施例中，隔離件通常為厚度大約25微米、由聚烯烴製成的多孔結構。適用於本揭示案的一些實施例的可商購獲得的隔離件包括例如：由Polypore公司(Celgard)、東燃化學公司(Toray Tonen)(電池隔離件膜(Battery separator film；BSF))、鮮京能源公司(SK Energy)(鋰離子電池隔離件(lithium ion battery separator；LiBS))、贏創工業股份有限公司(Evonik industries)(SEPARION)、旭化成株式會社(Asahi Kasei)(Hipore)、杜邦公司(DuPont)(Energain)等生產的多孔聚合隔離件。阻障層可由諸如鋁酸鋰、硝酸鋰、硼酸鋰等等的材料形成。此外，在一些實施例中，隔離件中的孔隙可用可溶於液體電解質中的黏合劑(諸如，混合的碳酸鹽電解質等等)或者鋰離子傳導聚合物(諸如PEO(聚環氧乙烷)、嵌段共聚物)等等填充；對孔隙的此填充可有助於避免在某些鋰金屬沉積方法期間將鋰金屬沉積到孔隙中。在一些實施例中，鋰沉積在隔離件的面向負(鋰)電極的側面上。
在一些實施例中，經塗覆的隔離件可包含鋰金屬薄膜以及以下項中的一種或多種：陶瓷塗層；阻障層；防護塗層；並且隔離件的孔隙填充有選自由以下項組成的群組中的一種或多種材料：鋰離子傳導聚合物、可溶於液體電解質中的黏合劑，以及鋰離子傳導陶瓷材料。
根據一些實施例，第2圖的隔離件可利用以下製程與設備來製造。用於製造根據本揭示案的隔離件的捲筒工具的不同構造示意地圖示於第3圖至第5圖中--應當指出的是，該等構造為示意性表示並且應理解捲筒系統及模組的構造可按需要改變以控制製造製程的不同步驟。
電池隔離件可使用如本文所描述的本揭示案的方法來製造。根據一些實施例，製造電池隔離件的方法可包含：在隔離件膜上沉積鋰金屬薄膜；其中沉積鋰金屬薄膜可藉由PVD進行，諸如蒸發、轉移製程或者狹縫式擠壓製程，並且其中鋰金屬在沉積期間不填充隔離件膜的孔隙。此外，在沉積鋰金屬薄膜之前，可將陶瓷層沉積在隔離件膜上，其中鋰金屬薄膜沉積在該陶瓷層上。此外，在各實施例中，在沉積鋰金屬薄膜之前，可沉積鋰離子傳導聚合物、可溶於液體電解質中的黏合劑和/或鋰離子傳導陶瓷材料來填充隔離件膜中的孔隙。此外，在各實施例中，阻障層可沉積在陶瓷層與鋰金屬薄膜之間，其中阻障層可由諸如鋁酸鋰、硝酸鋰、硼酸鋰、鋰離子傳導硫化物等等的材料形成。此外，鋰金屬膜可塗覆有保護層，諸如碳酸鋰或者氟化鋰，以用於保護鋰金屬不被環境氧化劑氧化。
鋰金屬塗覆隔離件可使用如本文所描述的本揭示案的工具來製造。根據一些實施例，用於形成鋰金屬塗覆隔離件的捲筒工具可包含：捲盤至捲盤系統，其用於使隔離件通過以下模組：用於在隔離件上沉積鋰金屬薄膜的模組；其中用於沉積鋰金屬薄膜的模組可包括PVD系統，諸如電子束蒸發器、薄膜轉移系統(包括大面積圖案印刷系統，諸如凹版印刷系統)或者狹縫式擠壓沉積系統。在一些實施例中，該工具亦可包含用於在鋰金屬薄膜的表面上形成防護塗層的模組。在一些實施 例中，該工具亦可包含用於在沉積鋰金屬薄膜之前在隔離件上沉積陶瓷層的模組，其中鋰金屬沉積在陶瓷層的表面上。在一些實施例中，該工具亦可包含用於在鋰金屬沉積在陶瓷層的表面上之前在陶瓷層上沉積阻障層的模組。在一些實施例中，該工具亦可包含用於將鋰離子傳導聚合物、可溶於液體電解質中的黏合劑或者鋰離子傳導陶瓷材料沉積到隔離件的孔隙中的模組。此外，根據一些實施例，用於將鋰金屬薄膜轉移至隔離件膜的工具可包含塗覆有抗蝕材料層的鼓輪，該材料為諸如ZrO2、YSZ(氧化釔穩定的氧化鋯)、LLZO或者其他固體電解質、矽與鎢的金屬間碳化物或者氮化物，Inconel®等等。
在第3圖中，捲筒工具300可包含：捲盤312及314，該等捲盤用於移動連續的隔離件材料片層310通過以下不同的處理模組：用於在隔離件的表面上沉積陶瓷層的模組320；用於在陶瓷層的頂部上沉積阻障層的模組330；用於在陶瓷層/阻障層的表面上沉積鋰金屬薄膜的模組340；以及用於在鋰金屬層的暴露表面上形成防護塗層的模組350。區域360指示捲筒工具中可能需要處於受控環境下以避免氧化鋰金屬薄膜的部分--例如在一些實施例中提供不含氧化劑如水及氧氣的環境、氮氣環境；此外，若不施加防護塗層，則鋰金屬塗覆隔離件將需要維持在非氧化環境中，直至隔離件整合至鋰離子電池單元中。在一些實施例中，如圖所示完成 的隔離件將不會聚積在捲盤314上，而是可直接前進以用於與正電極及負電極等等整合以形成電池單元。
鋰金屬沉積模組340圖示為包含物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)來源342，該來源342可為例如真空環境中的鋰金屬電子束蒸發器(冷的)。應注意的是，鋰金屬膜可以與如在電池單元中所使用的電池單元隔離件的大小相對應的片層形式沉積，以使得在隔離件的待切割區域上不存在鋰金屬，由此避免當組裝時鋰金屬的塗污(smearing)以及電池單元的潛在短路。
此外，在一些實施例中，模組330可提供電解液可溶性黏合劑的沉積以用於填充隔離件的孔隙，以便避免鋰金屬在沉積期間在孔隙中堆集，或者在各實施例中，模組330可提供鋰離子傳導聚合物的沉積以用於填充隔離件的孔隙。
在第4圖中，捲筒工具400圖示為具有：用於將鋰金屬薄膜444沉積到轉移鼓輪446上的鋰金屬沉積模組440，該鋰金屬沉積模組440包含鋰金屬來源442，諸如鋰金屬錠料電子束蒸發系統(冷的)；以及鼓輪448，該鼓輪448與鼓輪446一起配置以使得能夠將鋰金屬薄膜從轉移鼓輪446轉移到隔離件310。鋰金屬來源442的另一實例為鋰金屬片材或者線材，該鋰金屬片材或者線材的邊緣或者末端被不斷地引入至被加熱到足以蒸發鋰金屬的溫度的平板的表面上。應注意的 是，鼓輪448可經調節(如第4圖中的垂直雙向箭頭所指示)以按需要改變在鼓輪446與鼓輪448之間的「捏縮(pinch)」量，從而引發鋰金屬薄膜從轉移鼓輪446到隔離件310的轉移，或者是以其他方式轉移。應注意的是，鋰金屬膜444可以定大小為與如在電池單元中所使用的電池單元隔離件的大小相對應，以使得在隔離件的待切割區域上不存在鋰金屬，由此避免當組裝時鋰金屬的塗污以及電池單元的潛在短路。在一些實施例中，轉移鼓輪塗覆有鋰相容材料層，該鋰相容材料為諸如石榴石(例如，LixLa3Zr2O12，其中x≦7(LLZO))，或者固體電解質與其他材料(例如，ZrO2、YSZ、Li3BO3玻璃等)的組合物。應注意的是，當鼓輪是用隨著環境暴露時間的延長會被鋰金屬腐蝕的金屬(諸如，不銹鋼)製成時，可需要鼓輪的此塗層。可使用熱噴塗法、PVD製程來將此類塗層施加至鼓輪，諸如從由固體電解質材料製成的靶材(或者用組成物經調節以提供具所需組成的沉積膜的靶材)進行的濺射沉積。
在第5圖中，捲筒工具500圖示為具有：鋰金屬沉積模組540，該鋰金屬沉積模組540包含狹縫式擠壓鋰金屬來源542；以及鼓輪544，該鼓輪544配置成具有該狹縫式擠壓鋰金屬來源的頭端以提供鋰金屬膜的沉積。在各實施例中，替代於使狹縫式擠壓鋰金屬來源為具有大容量液態金屬貯集的液態鋰遞送系統，鋰金屬來源542可為鋰金屬錠料，該鋰金屬錠料的頂層經熔融 以製成液膜。此外，可改變鋰金屬錠料相對於塗佈鼓輪的取向。應注意的是，鋰金屬膜可以與如在電池單元中所使用的電池單元隔離件的大小相對應的片層形式沉積，以使得在隔離件的待切割區域上不存在鋰金屬，由此避免當組裝時鋰金屬的塗污以及電池單元的潛在短路。隔離件的陶瓷塗層幫助進行熱管理--以克服例如當暴露於熔融鋰的溫度時與一些隔離件如聚烯烴隔離件相關的收縮問題。此外，可按需要改變捲筒工具的精確構造以及狹縫式擠壓鋰來源542與鼓輪544的取向，以控制到隔離件上的鋰金屬沉積。
此外，在一些實施例中，鋰金屬沉積系統可為絲網列印機。
在一些實施例中，陶瓷塗層可有效地消除由於隔離件(如聚烯烴隔離件)的熱收縮以及相關聯撕裂所造成的電池單元故障。模組320中的陶瓷塗覆可如下進行。在一些實施例中，從水性介質的帶相反電荷的奈米/微米大小粒子的逐層塗覆可用於在隔離件如多孔聚烯烴隔離件上形成陶瓷塗層。在第一步驟中，製備帶相反電荷的粒子的兩種懸浮液或者乳液。陶瓷粒子可為絕緣氧化物，諸如Al2O3、SiO2、AlOxNy、AlN(在氮氣環境中沉積的鋁)、ZrO2等，或者為離子傳導陶瓷，諸如(Li,La)TiO3、Li-La-Zr-O、硫化物基電解質等。該等粒子在一些實施例中為奈米大小的，但是在各實施例中可為微米大小的。該等粒子可為緻密或者中空 的。可在一些實施例中使用的可商購獲得的陶瓷粒子的實例為Al2O3、SiO2以及MgO。電荷可藉由以下方式而給予至粒子：藉由控制溶液的組成或者pH或者藉由使充電聚電解質附接至粒子，藉由吸附或者反應性化學鍵結(接枝)。聚電解質是其重複單元帶有可電離基團的聚合物。該等基團將在某些溶液(例如，水)中解離，從而使得聚合物帶電荷。聚電解質的性質因此類似於電解質(鹽類)與聚合物(高分子化合物)兩者，並且有時被稱作聚合鹽。工業用聚電解質中的一些是聚二烯丙基二甲基氯化銨、聚(烯丙胺)-Nafion/聚(丙烯酸)、直鏈N,N-十二烷基，甲基-聚(乙亞胺)/聚(丙烯酸)、聚(伸乙亞胺)、聚(苯乙烯磺酸鹽)、聚(烯丙胺鹽酸鹽)、聚(丙烯胺/聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸)/聚環氧乙烷-嵌段-聚己酸內酯。當解離時帶負電荷的聚電解質的實例是聚(苯乙烯磺酸鈉)(poly(sodium styrene sulfonate)；PSS)和聚丙烯酸(polyacrylic acid；PAA)。PSS和PAA是當解離時帶負電荷的聚電解質。PSS是「強」聚電解質(在溶液中全帶電荷的)，而PAA是「弱」聚電解質(部分帶電荷的)。帶正電荷的聚合物的實例是聚乙烯亞胺、聚賴胺酸(polylysense)、聚烯丙胺鹽酸鹽等等。聚電解質在固體基板上的吸附是一種表面現象，其中具有帶電基團的長鏈聚合物分子結合至帶相反極性電荷的表面。此外，若隔離件不是固有帶電荷的，則可能需要製備隔離件。在一些實施例中，此製備可包 括使隔離件暴露於電暈，化學處理該隔離件(例如，用氧化劑化學處理)，或者將聚電解質吸附或接枝到隔離件的表面。具有帶電荷的隔離件可為所需的，以使第一層帶相反電荷的粒子結合至該隔離件。可施加由單層粒子組成的自限制層。例如，若隔離件是帶正電荷的，則施加帶負電荷的層。一旦表面完全被帶負電荷的層覆蓋，則停止粒子之沉積。應注意的是，在本文情境中使用的術語「自限制」是指因為沉積了單層粒子，所以由於帶相同電荷的粒子之間的自然排斥性，不存在粒子堆積。該施加可藉由例如使用噴塗製程將合適的混合物塗覆到隔離件上來執行。執行清洗製程以清洗掉任何過量的粒子和溶液。清洗可藉由將水噴塗在已沉積層上或者使隔離件流過水浴來執行。或者，可使用無水溶劑，諸如乙腈、乙醇、N-甲基-2-吡咯啶酮、四氫呋喃等等。此時，隔離件塗覆有厚度實質上對應於已經在聚合物溶液中使用的陶瓷粒子的直徑的單層陶瓷粒子。將第二層帶相反電荷的粒子施加到前述層，並且執行清洗。可以與上文關於前述層所描述的相同的方式來執行施加和清洗。此時，隔離件將具有陶瓷塗層，該陶瓷塗層的厚度實質上為所使用的陶瓷粒子的直徑的約兩倍。根據需要重複該等步驟多次，以實現陶瓷塗層的所需厚度--例如，可將約3微米厚度的塗層施加到電池結構中隔離件的面向負電極的表面上。然而，在一些實施例中可塗覆隔 離件的雙側。在此類實施例中，整個經塗覆的隔離件結構可為約16微米厚，並且可能薄至10微米厚。
此外，在一些實施例中陶瓷層塗覆製程涉及用於形成陶瓷塗層的乾法，而不是如上所述的濕式製程。在一個實例中，乾式製程涉及使用物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)技術並且不利用粒子。例如，處理可用以下步驟開始：使用表面活性劑分子在溶劑--在一些實施例中為水性溶劑中製備陶瓷膜源材料以適當地分散該等粒子，該源材料可包括SiO2或者Al2O3。將隔離件結構放置在PVD腔室中並且沉積陶瓷塗層。該隔離件結構可包括SiO2、Al2O3、鋰傳導陶瓷氧化物(諸如石榴石組成物、鈣鈦礦、反鈣鈦礦的摻雜變體)以及鋰傳導硫化物，其中聚合的隔離件作為基板。繼續沉積直至沉積所需厚度的材料，並且從PVD腔室移除經塗覆的隔離件。應注意的是可重複沉積以在隔離件結構的雙側上形成膜。
模組330的沉積製程可包括：用於阻障層沉積的熱噴塗、PVD沉積(諸如，冷電子束、濺射等等)等等；以及用於聚合物(黏合劑或者鋰離子傳導材料)沉積的熱噴塗、狹縫式擠壓等等。
模組350的防護塗層形成製程可包括：用於碳酸鋰塗層的對二氧化碳之控制暴露(以提供特定的碳酸鹽厚度)；用於無機防護塗層的熱噴塗製程、PVD沉 積製程(諸如冷電子束、濺射等等)等等；以及用於聚合物塗層的熱噴塗製程、狹縫式擠壓製程等等。
根據一些實施例具有隔離件的鋰離子電池可與正電極和負電極組合以形成如第1圖中示意性圖示的電池。隔離件與其他電池部件的整合可在用於製造隔離件的相同的製造設施中發生，或者隔離件可在捲軸上運輸並且整合可在其他地方發生。製造電池的製程通常如下進行：提供隔離件、負電極和正電極；將隔離件、負電極和正電極分別切割成所需大小的片材以用於電池單元；將接頭添加到正電極與負電極的切割片材；將正電極與負電極的切割片材與隔離件組合以形成電池單元；可纏繞或者堆疊電池單元以形成所需的電池單元構造；在纏繞或者堆疊之後，將電池單元放置在罐中，抽空罐，用電解質填充罐，並且隨後密封罐。
雖然已經關於具有石墨負電極的鋰離子電池特定描述了本揭示案的實施例，但是本揭示案的教示和原理可適用於其他基於鋰的電池，諸如Li聚合物、Li-S、Li-FeS2、基於Li金屬的電池等等。對於基於Li金屬的電池如Li-S和Li-FeS2，可能需要較厚的Li金屬電極，並且Li金屬的厚度取決於正電極載荷。在一些實施例中，Li金屬電極的厚度對於Li-S而言可在3微米與30微米之間並且對於Li-FeS2而言可為大約190-200微米，並且可沉積在相容基板如Cu或者不銹 鋼金屬箔的一側或兩側上--本文所描述的方法與工具可用於製造此類Li金屬電極。
此外，在一些實施例中基於鋰金屬的電池可藉由以下步驟來製造：將鋰金屬負電極直接沉積到電池隔離件結構上，接著將負電極集電器直接沉積到鋰金屬負電極的表面上--此形成了組合的負電極與隔離件，該組合的負電極與隔離件可隨後與正電極、集電器等等組合以形成完整的基於鋰金屬的電池。鋰金屬負電極的沉積可如上文關於用於鋰離子電池的隔離件上鋰金屬薄膜沉積所描述的一樣，區別為基於鋰金屬的電池的鋰金屬負電極可在一些實施例中更厚，具體取決於負極材料組成--例如對於基於鋰金屬的電池鋰金屬負電極的厚度可為1微米至60微米。負電極集電器可由金屬如銅、鎳、不銹鋼、金屬合金等等形成，並且可藉由諸如PVD、CVD等等的製程沉積到鋰金屬負電極上；此製造方法允許按需要形成薄集電器--比若集電器作為基板時可實現的更薄。在此實施例中用於基於鋰金屬的電池的隔離件可在各實施例中包含如上所述以及在第2圖中所圖示的各種結構中的一個或多個結構--例如，陶瓷塗層、阻障層、填充有選自由鋰離子傳導聚合物、可溶於液體電解質中的黏合劑以及鋰離子傳導陶瓷材料組成的群組中的一種或多種材料的隔離件膜的孔隙。具有鋰金屬負電極與集電器的電池隔離件可在一些實施例中使用如上所述並且在第3圖至第5圖中所圖示的工具及系統來製 造，但是模組350可改為用於藉由PVD或者CVD製程來沉積集電器。
此外，在一些實施例中薄(薄至足以補償第一電池循環期間不可逆的鋰金屬損失)的鋰膜(例如1至5微米厚度的鋰膜)可使用本揭示案的方法及工具直接沉積在負電極上--例如，鋰金屬薄膜可沉積在合適的導電基板(例如，銅等等)上的石墨(含有或不含有矽)層上。
雖然已經參考本揭示案的一些實施例具體地描述了本揭示案，但是對於本領域一般技藝人士應顯而易見的是：在不脫離本揭示案的精神和範圍的情況下，可以進行對形式和細節的變化和修改。
130‧‧‧隔離件
131‧‧‧隔離件膜
132‧‧‧孔隙
133‧‧‧陶瓷塗層
134‧‧‧阻障層
135‧‧‧鋰金屬薄膜
136‧‧‧防護塗層

Claims (17)

  1. 一種鋰離子電池，其包含：一正電極；一負電極；以及一隔離件，其在該正電極與該負電極之間，該隔離件塗覆有一鋰金屬薄膜，該鋰金屬薄膜具有的一厚度小於或等於足以補償在該鋰離子電池的一第一循環期間不可逆的鋰金屬損失的一厚度。
  2. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中該鋰金屬薄膜的厚度在1微米與5微米之間，包括端值在內。
  3. 如請求項1所述之鋰離子電池，其進一步包含：在該隔離件上介於該隔離件與該鋰金屬薄膜之間的一陶瓷層。
  4. 如請求項3所述之鋰離子電池，其進一步包含：在該陶瓷層與該鋰金屬薄膜之間的一阻障層，其中該阻障層是由一選自由以下項組成的群組的材料形成：氧化鋁、鋁氮氧化物、氧化鋯、鋯氮氧化物、氮化鋁、氮化矽、鋁酸鋰、硝酸鋰、硼酸鋰、鋰離子傳導硫化物，以及鋯酸鋰鑭。
  5. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中該隔離件包含孔隙，並且用選自由以下項組成的群組的一種或多種材料填充該等孔隙：一鋰離子傳導聚合物、一 可溶於一液體電解質中的黏合劑，以及一鋰離子傳導陶瓷材料。
  6. 一種製造一電池隔離件的方法，該方法包含以下步驟：在一隔離件膜上沉積一鋰金屬薄膜，其中該鋰金屬薄膜的厚度為至少1微米，並且其中該沉積不填充該隔離件膜的孔隙。
  7. 如請求項6所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該沉積該鋰金屬薄膜的步驟之前，在該隔離件膜的孔隙中沉積一鋰離子傳導聚合物、一可溶於液體電解質中的黏合劑，以及一鋰離子傳導陶瓷材料中的一種或多種。
  8. 如請求項6所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該沉積該鋰金屬薄膜的步驟之前，在該隔離件膜上沉積一陶瓷層以形成一第二隔離件膜，其中該鋰金屬薄膜沉積在該第二隔離件膜的該陶瓷層上。
  9. 如請求項8所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該陶瓷層與該鋰金屬薄膜之間沉積一阻障層，其中該阻障層是以選自由以下項組成的群組的一種或多種材料形成：鋁酸鋰、硝酸鋰，以及硼酸鋰。
  10. 如請求項6所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：用一防護層塗覆該鋰金屬薄膜，以用於 保護該鋰金屬薄膜不被環境氧化劑氧化。
  11. 如請求項6所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該鋰金屬薄膜上沉積一集電器，其中該鋰金屬薄膜為一鋰金屬電池的一負電極。
  12. 一種用於製造鋰金屬塗覆電池隔離件的裝置，該裝置包含：一捲盤至捲盤系統，該捲盤至捲盤系統用於傳送一連續的隔離件膜通過一個或多個模組；以及一第一模組，該第一模組用於在該隔離件膜上沉積一鋰金屬薄膜，該第一模組配置用於藉由一選自由以下項組成的群組的製程來沉積該鋰金屬薄膜：物理氣相沉積、電子束蒸發、薄膜轉移以及狹縫式擠壓沉積，並且其中該第一模組進一步配置用於在不填充該隔離件膜的孔隙的情況下沉積該鋰金屬薄膜。
  13. 如請求項12所述之裝置，該裝置進一步包含：一第二模組，該第二模組用於在沉積該鋰金屬薄膜之前在該隔離件膜上沉積一陶瓷層，其中該鋰金屬薄膜沉積在該陶瓷層的一表面上。
  14. 如請求項13所述之裝置，該裝置進一步包含：一第三模組，該第三模組用於在該鋰金屬薄膜沉積在該陶瓷層的該表面上之前在該陶瓷層上沉積一阻障層。
  15. 如請求項12所述之裝置，該裝置進一步包含：一第四模組，該第四模組用於將一鋰離子傳導聚合物、一可溶於一液體電解質中的黏合劑以及一鋰離子傳導陶瓷材料中的一種或多種沉積到該隔離件膜的該等孔隙中。
  16. 如請求項12所述之裝置，該裝置進一步包含：一第五模組，該第五模組用於在該鋰金屬薄膜的該表面上形成一防護塗層。
  17. 如請求項12所述之裝置，該裝置進一步包含：一第六模組，該第六模組用於在該鋰金屬薄膜的該表面上形成一集電器。
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