[发明专利]具有受控枝晶生长的可再充电碱金属和碱土电极及其制造和使用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本发明专利申请要求2011年5月17日提交的尚待批准的美国临时专利序列第61/486946号、2011年6月17日提交的尚待批准的美国临时专利序列第61/498192号及2011年11月30日提交的尚待批准的美国临时专利序列第61/565101号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

长期以来一直期望的是使用锂金属作为阳极，以构建具有最高阳极特定容量的可再充电的锂电池或电池组系统。然而，对于开发这种电池来说，锂金属枝晶的生长产生了严重的技术壁垒。最近，锂金属电池比如锂离子电池的修改版已经引入了一些成功。然而，当前的修改版具有局限性和低效率，这对使用锂金属作为阳极的电池来说则不会出现。

通常，锂金属电池包括被电绝缘隔离物或“隔板”分开并通过电解质溶液可操作地连接的阳极和阴极。在充电过程中，带正电的锂离子从阴极移动通过可渗透的隔板到达阳极并还原成锂金属。在放电过程中，锂金属被氧化成带正电的锂离子，其从阳极移动通过隔板并到达阴极上，而电子移动通过外部负载，从阳极至阴极，产生电流并提供电源给负载。在重复的充电和放电期间，锂枝晶开始从阳极的表面上生长。枝晶状锂沉积物，有时也被称为苔藓锂，最终通过隔板分裂并到达阴极，导致内部短路并使电池无法工作。锂枝晶的形成在锂金属电池的充电与放电过程中是固有地不可避免的。因此，仍然需要不遭受枝晶生长的影响而同时保持电池的循环能力、离子导电性、电压及比容量的锂电极电池系统。本新颖技术解决了这些需求。

附图说明

图1是根据本新颖技术第一实施例的锂离子电池的示意图。

图2A是图1隔板的透视图。

图2B是图2隔板表面的分解图。

图3A是图1复合电极的第一透视图。

图3B是图1复合电极的第二透视图。

图3C是图1复合电极的第三透视图。

图3D是图1复合电极的第四透视图。

图4是本新颖技术第二实施例纽扣型电池实施方式的透视图。

图5是从图1的电极表面上生长的枝晶的放大的正视图。

图6是部分地涂覆有FNC时的图1隔板表面的分解图。

图7是本新颖技术第三实施例的流程图，示出了形成枝晶晶种材料的方法。

图8是本新颖技术第四实施例的流程图，示出了控制金属枝晶生长的方法。

图9是本新颖技术第五实施例的流程图，示出了延长电池寿命的方法。

图10是本新颖技术第六实施例的流程图，示出了制造涂覆有FNC的隔板的方法。

具体实施方式

为了促进和理解本新颖技术的原理并提出其目前所理解的最佳操作方式的目的，下面将参照附图中所示的实施例，并且特定的语言将用来描述相同的实施例。然而要理解的是，本新颖技术的范围并非旨在局限于此，因为对于本新颖技术所涉及领域的技术人员来说通常会发生的是，在所示新颖技术中的这种改变和进一步修改以及如其中所示的本新颖技术的原理的这种进一步应用被设想。

如图1-10所示，本新颖技术涉及一种具有锂金属电极20的可再充电的锂金属电化学存储电池10。参照图1，可再充电的锂电极电池10示出有锂金属阴极部12和锂金属阳极部14。隔板50定位在阳极14与阴极12之间。隔板50通常涂覆有官能化纳米碳颗粒40的层80。隔板50包括阳极面向侧53和阴极面向侧52，并且通常涂覆有官能化纳米碳（FNC）颗粒40的薄或极薄膜80，更通常地约0.1μm厚，并且通常定向为面向锂金属电极20的表面70。间隙26填充有位于锂金属电极20与涂覆FNC的隔板60之间的电解质25。官能化纳米碳颗粒40通常具有固定在纳米碳颗粒40的层80的表面65上的Li+离子。FNC膜80电连接至锂金属电极20。当锂金属电极20被充电时，锂枝晶11从锂金属电极20的表面70朝向涂覆FNC的隔板60延伸。同时，枝晶55从FNC膜80的表面65朝向锂金属电极20的表面70延伸。枝晶55在锂金属电极20与涂覆FNC的隔板60的通过平面方向94上生长。