[发明专利]用于电沉积光滑薄膜的方法和电解质

说明书

优先权

本发明要求于2012年2月7日提交的美国专利申请第13/367,508号名称为“储能设备的电解质中的支晶抑制盐(Dendrite-Inhibiting Salts in Electrolytes of Energy Storage Devices)”的优先权；本发明还要求于2012年6月13日提交的美国专利申请第13/495,727号名称为“用于电沉积光滑薄膜的方法和电解质(Methods and Electrolytes for Electrodeposition of Smooth Films)”的优先权。

关于联邦政府资助的研发项目的说明

本发明在美国能源部授予的合同号为DE-AC05-76RL01830的政府资助下而做出。该政府对本发明享有一定的权利。

交叉引用相关申请

本发明要求于2012年2月7日提交的未授权的美国专利申请第13/367,508号的优先权，并部分地作为该申请的延续；该申请以引用方式纳入本说明书。

背景技术

电沉积常用于将具有所需性质的功能材料覆盖到原本不具备该性质的表面上。在电沉积过程中，电解质溶液中的带电反应物扩散或是借助于电场而移动，从而覆盖电极表面。例如，电流可以还原反应物阳离子，从而沉积在阳极上。或者，电解质溶液中的反应物阴离子可以扩散或是借助于电场而移动，从而覆盖阴极表面，反应物阴离子在阴极表面氧化，从而在电极上形成沉淀。

电沉积已经成功用于耐摩擦和磨损、腐蚀保护、润滑、美感品质等领域中。其也用在某些储能设备的运行中。例如，在金属电池或金属离子电池的充电过程中，电解质中的金属离子从阴极移动并沉积在阳极上。一些具有不饱和碳-碳双键或三键的有机化合物用无水电解质中的添加剂，且经电化学还原并沉积在阳极表面上，或者经氧化并沉积在阴极表面上，从而形成固体电解质界面层，该界面层作为锂电池的阳极和阴极上的保护膜。一些分子中具有共轭键的其他化合物经电化学氧化并沉积在阴极表面上，从而形成作为储能设备的有机阴极材料的导电聚合物。

在大多数的情况下，理想的是光滑的电沉积涂覆。例如，一张光滑的平整薄膜可以增强用于装饰、耐磨损、腐蚀保护和润滑的薄膜的使用寿命。对于储能设备且特别是二次设备中，也需要光滑的平整薄膜。在这些储能设备的充电/放电过程中，电极表面上产生的粗糙薄膜和/或支晶(dendrite)会导致危险状况、短路、容量降低和/或使用寿命缩短。

粗糙和/或支晶可以由多种原因导致，所述原因包括电流密度在电沉积基底(例如阳极)表面上的分布不均匀，以及电沉积材料和/或基底对于电解质溶液、反应物和盐的反应性不一致。在储能设备的反复充电-放电循环中，在某些情况下这些效应可以叠加。因此，为了增强所得薄膜的光滑度，需要改进用于电沉积的电解质和方法。

发明内容

本文记载用于电沉积的方法和电解质，所述方法和电解质使初始凸起尖端自修复(self-healing)，而非自生长(self-amplification)，所述凸起尖端是电沉积过程中不可避免的，且会导致粗糙和/或支晶的形成。对于从电解质溶液中的一种或多种反应物将第一导电材料(C1)电沉积在基底上，本文所述的电解质溶液的实施方案的特征在于，一种可溶的表面光滑添加剂，其含有第二导电材料(C2)的阳离子，其中C2的阳离子在溶液中的有效电化学还原电势(effective electrochemical reduction potential，ERP)低于反应物的ERP。

本文所用的C1、C2和/或反应物的阳离子，是指带有净正电荷的原子或分子。在一个实施例中，所述原子或分子中的电子总数可以少于质子总数，使得原子或分子带有净正电荷。所述阳离子并非必须为金属阳离子，而可以为非金属阳离子。在至少一个实施例中，非金属阳离子为铵。阳离子在任何具体情况下均不仅限于+1价氧化态。在本文的一些描述中，阳离子通常可以表示为X⁺，其通常指任意价的氧化态，而非仅仅是+1价。