具有受控枝晶生長的可再充電堿金屬和堿土電極制造技術(shù)

具有受控枝晶生長的可再充電堿金屬和堿土電極，一種用于延長電池壽命的裝置，包括：電極，其具有金屬部分，其中，所述金屬部分選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組；電解質(zhì)可滲透膜；以及設(shè)置在所述電極與膜之間的金屬枝晶晶種材料。所述電極、膜和金屬枝晶晶種材料位于電解質(zhì)基質(zhì)中。至少一個枝晶從所述電極朝向所述電解質(zhì)可滲透膜延伸，結(jié)合從所述枝晶晶種材料延伸的至少一個枝晶。

Rechargeable alkali metal and alkaline earth electrode with controlled dendrite growth

Having controlled dendrite growth of rechargeable alkaline and alkaline earth electrode, a device for extending the life of the battery includes an electrode, having a metal part, wherein, the metal part selected from a group consisting of lithium, calcium and magnesium, sodium, potassium and its combination group; electrolyte membrane; and disposed between the the electrode and membrane metal dendrite materials. The electrode, the film and the metal dendritic crystal material are located in the electrolyte matrix. At least one dendrite extends from the electrode toward the electrolyte permeable membrane, in combination with at least one dendrite extending from the dendritic material.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本申請是申請日為2012年5月17日、申請?zhí)枮?01280035599.1、專利技術(shù)名稱為“具有受控枝晶生長的可再充電堿金屬和堿土電極及其制造和使用方法”的專利技術(shù)專利申請的分案申請。相關(guān)申請的交叉引用本專利技術(shù)專利申請要求2011年5月17日提交的尚待批準(zhǔn)的美國臨時專利序列第61/486946號、2011年6月17日提交的尚待批準(zhǔn)的美國臨時專利序列第61/498192號及2011年11月30日提交的尚待批準(zhǔn)的美國臨時專利序列第61/565101號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)介紹
長期以來一直期望的是使用鋰金屬作為陽極，以構(gòu)建具有最高陽極特定容量的可再充電的鋰電池或電池組系統(tǒng)。然而，對于開發(fā)這種電池來說，鋰金屬枝晶的生長產(chǎn)生了嚴(yán)重的技術(shù)壁壘。最近，鋰金屬電池比如鋰離子電池的修改版已經(jīng)引入了一些成功。然而，當(dāng)前的修改版具有局限性和低效率，這對使用鋰金屬作為陽極的電池來說則不會出現(xiàn)。通常，鋰金屬電池包括被電絕緣隔離物或“隔板”分開并通過電解質(zhì)溶液可操作地連接的陽極和陰極。在充電過程中，帶正電的鋰離子從陰極移動通過可滲透的隔板到達陽極并還原成鋰金屬。在放電過程中，鋰金屬被氧化成帶正電的鋰離子，其從陽極移動通過隔板并到達陰極上，而電子移動通過外部負載，從陽極至陰極，產(chǎn)生電流并提供電源給負載。在重復(fù)的充電和放電期間，鋰枝晶開始從陽極的表面上生長。枝晶狀鋰沉積物，有時也被稱為苔蘚鋰，最終通過隔板分裂并到達陰極，導(dǎo)致內(nèi)部短路并使電池?zé)o法工作。鋰枝晶的形成在鋰金屬電池的充電與放電過程中是固有地不可避免的。因此，仍然需要不遭受枝晶生長的影響而同時保持電池的循環(huán)能力、離子導(dǎo)電性、電壓及比容量的鋰電極電池系統(tǒng)。本新穎技術(shù)解決了這些需求。附圖說明圖1是根據(jù)本新穎技術(shù)第一實施例的鋰離子電池的示意圖。圖2A是圖1隔板的透視圖。圖2B是圖2隔板表面的分解圖。圖3A是圖1復(fù)合電極的第一透視圖。圖3B是圖1復(fù)合電極的第二透視圖。圖3C是圖1復(fù)合電極的第三透視圖。圖3D是圖1復(fù)合電極的第四透視圖。圖4是本新穎技術(shù)第二實施例紐扣型電池實施方式的透視圖。圖5是從圖1的電極表面上生長的枝晶的放大的正視圖。圖6是部分地涂覆有FNC時的圖1隔板表面的分解圖。圖7是本新穎技術(shù)第三實施例的流程圖，示出了形成枝晶晶種材料的方法。圖8是本新穎技術(shù)第四實施例的流程圖，示出了控制金屬枝晶生長的方法。圖9是本新穎技術(shù)第五實施例的流程圖，示出了延長電池壽命的方法。圖10是本新穎技術(shù)第六實施例的流程圖，示出了制造涂覆有FNC的隔板的方法。具體實施方式為了促進和理解本新穎技術(shù)的原理并提出其目前所理解的最佳操作方式的目的，下面將參照附圖中所示的實施例，并且特定的語言將用來描述相同的實施例。然而要理解的是，本新穎技術(shù)的范圍并非旨在局限于此，因為對于本新穎技術(shù)所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員來說通常會發(fā)生的是，在所示新穎技術(shù)中的這種改變和進一步修改以及如其中所示的本新穎技術(shù)的原理的這種進一步應(yīng)用被設(shè)想。如圖1-10所示，本新穎技術(shù)涉及一種具有鋰金屬電極20的可再充電的鋰金屬電化學(xué)存儲電池10。參照圖1，可再充電的鋰電極電池10示出有鋰金屬陰極部12和鋰金屬陽極部14。隔板50定位在陽極14與陰極12之間。隔板50通常涂覆有官能化納米碳顆粒40的層80。隔板50包括陽極面向側(cè)53和陰極面向側(cè)52，并且通常涂覆有官能化納米碳(FNC)顆粒40的薄或極薄膜80，更通常地約0.1μm厚，并且通常定向為面向鋰金屬電極20的表面70。間隙26填充有位于鋰金屬電極20與涂覆FNC的隔板60之間的電解質(zhì)25。官能化納米碳顆粒40通常具有固定在納米碳顆粒40的層80的表面65上的Li+離子。FNC膜80電連接至鋰金屬電極20。當(dāng)鋰金屬電極20被充電時，鋰枝晶11從鋰金屬電極20的表面70朝向涂覆FNC的隔板60延伸。同時，枝晶55從FNC膜80的表面65朝向鋰金屬電極20的表面70延伸。枝晶55在鋰金屬電極20與涂覆FNC的隔板60的通過平面方向94上生長。參照圖5，枝晶11、55的生長由相應(yīng)枝晶11、55的前端(Et)59與基部(Eb)之間的電位差(ΔE)驅(qū)動。由于循環(huán)，枝晶11、55朝向彼此繼續(xù)延伸；最終，枝晶11、55相互接觸并且電位差(ΔE)枝晶11、55大約為零，因為FNC膜80和鋰金屬電極20具有相同的電位。因此，枝晶11、55生長沿著通過平面方向94遲緩或停止。在隨后的循環(huán)中，枝晶11、55可以在垂直于相應(yīng)枝晶11、55的長軸線且平行于鋰金屬電極20的平面的方向(也被稱為平面內(nèi)方向84)上生長，這防止枝晶11、55刺穿可滲透的或選擇性可滲透的膜50，如圖3A-3D所示。最終，從鋰枝晶11、55的交叉點，鋰再生表面70可以形成。因此，復(fù)合鋰金屬電極20得以形成，其中鋰電極20裝配有薄碳層80。盡管鋰在本文中通常特定地被闡述為電極金屬，但是存儲電池10可以可替代地包括其它堿土和/或堿土金屬元素及其組合作為電極材料。用于利用鋰金屬枝晶/電極系統(tǒng)的兩種類型的電池示例性配置包括對稱電池400，其中鋰金屬電極420用作陽極414和陰極412，具有鋰/聚合物/鋰(陽極/電解質(zhì)/陰極＝A/E/C)的配置，使得鋰枝晶機理研究或鋰聚合物電池系統(tǒng)成為可能；以及非對稱電池500，其中鋰金屬是陽極514，不同的材料被選為陰極512，比如鋰/聚合物電解質(zhì)/V2O5、鋰/液體電解質(zhì)/石墨、鋰/聚合物電解質(zhì)/石墨和鋰/聚合物電解質(zhì)/FePO4。對稱電池400為鋰金屬枝晶生長提供了更好的介質(zhì)，并且可以加速循環(huán)測試，而非對稱電池500更加接近于現(xiàn)場應(yīng)用。如圖5所示，枝晶生長基本上是不可避免的，因為鋰金屬表面的冶金特性在或機械應(yīng)力或電鍍/退鍍循環(huán)的應(yīng)用之后導(dǎo)致鋰金屬電極的表面缺陷。雖然本領(lǐng)域公知的配置僅著重于停止枝晶11生長，但是新穎的電池設(shè)計10著重于控制鋰金屬枝晶11、55生長的方向。如圖9所述，新穎的電極20的一實施方式800可具有在隔板50上的官能化納米碳顆粒(FNC)80的碳涂覆層，其定位801于電解質(zhì)25中，并且使鋰枝晶11、55同時從鋰金屬電極20的表面51與涂覆FNC的隔板60的表面65生長803。電解質(zhì)25置于802電極20與涂覆FNC的隔板60之間的間隙26中。枝晶11、55在電池10的重復(fù)充電和放電804之后生長803。枝晶11、55相互接觸805，并且當(dāng)接觸發(fā)生時，由于產(chǎn)生于接觸的零電位差，枝晶11、55停止在通過平面方向94上延伸。枝晶生長方向800的控制通過涂覆FNC的隔板枝晶55與電極枝晶11之間的接觸805而發(fā)生。在枝晶11、55的多個結(jié)合之后，形成806了鋰再生鋰表面70。建立零電位差給可再充電的鋰金屬電極20提供了高比容量、高循環(huán)性能和高安全性。因此，可再充電的鋰金屬電極系統(tǒng)10可在多種鋰電池中實施，其包括鋰聚合物、鋰-空氣和鋰金屬氧化物電池系統(tǒng)以及任何其它電池系統(tǒng)，其中使用鋰金屬陽極14，并且對于電子設(shè)備、電動汽車和混合電動汽車、大型儲能等產(chǎn)生好處。通常，開發(fā)不同鋰電池(即鋰聚合物、鋰空氣和鋰離子等)的高比容量和可再充電的鋰金屬電極20的挑戰(zhàn)一直停止循環(huán)803過程中的電極枝晶11生長。鋰金屬電極20具有固有的冶金傾向以形成枝晶11，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種電極隔板，包括：電絕緣隔離構(gòu)件，其具有陽極面向側(cè)和陰極面向側(cè)；以及官能化納米碳顆粒層，其粘附至所述電絕緣隔離構(gòu)件的陽極面向側(cè)；并且其中，所述官能化納米碳顆粒由于用于晶種枝晶生長的離子相關(guān)的金屬陽離子而得以官能化。

【技術(shù)特征摘要】
2011.05.17 US 61/486,946;2011.06.17 US 61/498,192;1.一種電極隔板，包括：電絕緣隔離構(gòu)件，其具有陽極面向側(cè)和陰極面向側(cè)；以及官能化納米碳顆粒層，其粘附至所述電絕緣隔離構(gòu)件的陽極面向側(cè)；并且其中，所述官能化納米碳顆粒由于用于晶種枝晶生長的離子相關(guān)的金屬陽離子而得以官能化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板，其中，所述官能化納米碳顆粒選自包括碳黑、石墨烯、石墨、納米石墨、無定形碳及其組合的組。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板，其中，所述金屬陽離子與選自包括磺酸鹽、羧酸鹽、叔胺、重氮鹽及其組合的組的官能團離子地相關(guān)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板，其中，所述電絕緣隔離構(gòu)件可滲透至含有金屬鹽的有機電解質(zhì)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隔板，其中，所述金屬選自包括鋰、鈉、鉀、鈣、鎂及其組合的組。6.一種鋰金屬電池組電池，包括：電解質(zhì)介質(zhì)；陰極，其位于所述電解質(zhì)介質(zhì)中；含鋰的陽極，其位于所述電解質(zhì)介質(zhì)中并且與所述陰極隔開；隔板，其具有設(shè)置在所述含鋰的陽極與陰極之間的陽極面向側(cè)和陰極面向側(cè)；以及多個鋰官能化的納米碳顆粒，其操作地連接至所述隔板的陽極面向側(cè)；其中，所述隔板是電絕緣的且電解可滲透的。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，多個枝晶從所述含鋰的陽極朝向所述隔板延伸，并且多個枝晶從所述隔板的陽極面向側(cè)朝向所述含鋰的陽極延伸。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池組電池，其中，所述多個枝晶在所述電解質(zhì)介質(zhì)中結(jié)合并且具有大約為零的電位差。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池組電池，其中，所述多個枝晶限定再生鋰金屬層。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，所述電池組電池是紐扣電池。11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，所述電池組電池是可再充電的。12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，所述電池組電池是對稱的。13.一種用于延長電池壽命的裝置，包括：電極，其具有金屬部分，其中，所述金屬部分選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組；電解質(zhì)可滲透膜；以及金屬枝晶晶種材料，其設(shè)置在所述電極與膜之間；其中，所述電極、膜和金屬枝晶晶種材料位于電解質(zhì)基質(zhì)中，并且；其中，至少一個枝晶從所述電極朝向所述電解質(zhì)可滲透膜延伸，結(jié)合從所述枝晶晶種材料延伸的至少一個枝晶。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述金屬枝晶晶種材料是多個金屬官能化碳納米顆粒，并且其中，所述金屬選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，從所述電極延伸的枝晶和從所述枝晶晶種材料延伸的枝晶結(jié)合以形成再生金屬部分。16.一種延伸電池壽命的方法，包括：a)將枝晶晶種材料定位于設(shè)置在含有金屬的電極與電解質(zhì)可滲透隔板膜之間的電解質(zhì)溶液中；b)從鋰枝晶晶種材料朝向含鋰的電極生長金屬枝晶；以及c)使從所述含有金屬的電極延伸的金屬枝晶與從金屬枝晶晶種材料延伸的金屬枝晶接觸；其中，所述電解質(zhì)包...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J謝，
申請(專利權(quán))人：美國印第安納大學(xué)研究和技術(shù)公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US