[发明专利]具有保护层工具的整合的锂沉积

说明书

在一实施方式中，公开了一种用于在能量储存装置中的锂金属的沉积和处理的整合处理工具。整合的处理工具可为卷材工具(web tool)。整合的处理工具可包括：卷对卷系统(reel‑to‑reel system)，该卷对卷系统用于经由下列的腔室来传送连续的材料片：用于将锂金属的薄膜沉积在连续的材料片上的腔室和用于将保护膜沉积在锂金属的薄膜的表面上的腔室。用于沉积锂金属的薄膜的腔室可包括：诸如电子束蒸发器的PVD系统、薄膜传送系统，或狭缝式沉积系统(slot‑die deposition system)。用于将保护膜沉积在锂金属膜上的腔室可包括：沉积夹层膜的腔室或用于将锂离子传导性聚合物沉积在锂金属膜上的腔室。

技术领域

本文描述的实施方式一般地涉及锂金属沉积和处理。尤其是，本文描述的实施方式涉及用于在能量储存装置中的锂金属的沉积和处理的方法和系统。

背景技术

对于日常生活的许多领域而言，可充电的电化学储存系统目前变得越来越重要。诸如锂离子(Li-ion)电池之类的大容量的电化学能量储存装置被使用在越来越多的应用(其中包括可携式电子产品、医疗、运输、并网大型能量储存、可再生能源储存，及不间断功率源(uninterruptible power supply,UPS))中。传统的铅酸/硫酸电池经常容量不足且经常不具有足够的循环以供这些不断增长的应用。然而，锂离子电池被认为具有最好的机会。

通常，锂电池由于安全性的理由并不包含任何的金属锂，反而使用石墨材料作为阳极。然而，相较于使用金属锂，在处于充电状态时使用石墨能充电至限制的组成物LiC₆，而石墨的使用会导致小得多的容量。目前，工业正从基于石墨的阳极发展至混合硅的(silicon-blended)石墨以增加能量单元密度(energy cell density)。然而，混合硅的石墨阳极有第一次充放电的容量损失的缺点。因此，需要用以补充混合硅的石墨阳极的第一次充放电的容量损失的锂金属沉积。然而，锂金属面临到若干装置整合的挑战。

锂是一种碱金属。与第一主族的重元素同族物相类似，锂的特征在于与各种不同的物质的强烈反应性。锂剧烈地与水、乙醇，及含质子氢的其他的物质发生反应，而经常导致燃烧。锂在空气中是不稳定的且会与氧气、氮气，及二氧化碳发生反应。锂一般在惰性气体环境(惰性气体，诸如氩气)下运输并且锂的强烈反应性要求其他的处理操作亦在惰性气体环境中执行。因此，当谈论到处理、储存，及传送时，锂具有若干挑战。

已经针对于锂金属开发保护表面处理。一种锂金属的保护表面处理的方法包含：将锂金属涂覆上蜡层，例如：聚乙烯蜡(polyethylene wax)。然而，必须施用大量的涂布剂，该涂布剂会影响锂金属层的后续的处理。

保护表面处理的另一方法提出了利用连续的碳酸盐涂层、聚合物涂层(例如：聚氨基甲酸酯(polyurethanes)、PTFE、PVC、聚苯乙烯(polystyrene)和其他者)来产生稳定化的锂金属粉末(stabilized lithium metal powder,“SLMP”)。然而，当预锂化(prelithiating)电极材料时这些聚合物涂层可能造成问题。

因而，需要用于在能量储存系统中的锂金属的沉积和处理的方法和系统。

发明内容

本文描述的实施方式一般地涉及锂金属沉积和处理。尤其是，本文描述的实施方式涉及用于在能量储存装置中的锂金属的沉积和处理的方法和系统。在一实施方式中，提供负极。负极被涂覆有锂金属的薄膜。锂金属的薄膜可具有足够的厚度以补偿在电池的第一次充放电期间的锂金属的不可逆转的损失，该锂金属的薄膜在一些实施方式中可为具有从大约1微米至大约20微米的厚度的锂金属膜。锂金属膜可被用作为锂金属阳极。再者，锂金属膜可被涂覆有用于保护锂金属膜而不受周围氧化剂的影响的保护膜。在一实施方式中，保护膜包含离子传导性聚合物材料，该离子传导性聚合物材料被并入最终的电池单元。在另一实施方式中，保护膜包含夹层膜，该夹层膜保护锂金属膜而不受周围氧化剂的影响。通常在进行额外的处理之前将夹层膜移除。在一些实施方式中，夹层膜可充当隔板。