[发明专利]用于薄膜锂金属化的集电器的等离子体预处理

说明书

本发明提供了用于形成锂基负极组件的方法。金属集电器的表面用还原性等离子体气体进行处理，使得在该处理步骤之后，该金属集电器的处理表面形成为具有小于或等于约10°的接触角，并且具有小于或等于约5％的金属氧化物。该金属集电器可包括诸如铜、镍和铁的金属。在基本不含氧化物质的环境中将锂金属施加至金属集电器的处理表面。锂金属流过并附着至该处理表面，以形成锂层。该锂层可以是厚度≥约1μm≤约75μm薄层，从而形成锂金属负极组件。

引言

本部分提供了涉及本发明的背景信息，其并不一定是现有技术。

本发明涉及通过等离子体处理金属集电器之后再进行锂金属化而形成用于电化学电池的锂基负极组件的方法。

诸如锂离子电池的高能量密度电化学电池可以用在各种消费产品和车辆中，例如，混合电力车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子电池和锂硫电池包括第一电极、第二电极、电解质材料和隔膜。一个电极用作正极或阴极(放电时)，而另一个用作负极或阳极(放电时)。一组电池可进行电连接，以提高总体输出。传统的可充电锂离子电池通过在负极和正极之间来回可逆地传递锂离子来操作。隔膜和电解质设置在负极和正极之间。电解质适用于传导锂离子，并且可以是固体(例如，固态扩散)或液体形式。锂离子在电池充电期间从阴极(正极)移动至阳极(负极)，并且在电池放电时以相反的方向移动。

许多不同的材料均可用于制造用于锂离子电池的部件。常见的负极材料包括锂插入材料或合金主体材料，如碳-基材料，例如，锂-石墨插层化合物、锂-硅化合物、锂-锡合金和钛酸锂Li_4+xTi₅O₁₂，其中0≤x≤3，例如Li₄Ti₅O₁₂(LTO)。负极还可由金属锂(通常指锂金属阳极(LMA))制成，因此电化学电池被认为是锂金属电池。用于可充电电池的负极的金属锂具有各种潜在优点，包括理论容量最高、电化学势最低。因此，含有锂金属阳极的电池可具有可以潜在地使存储容量加倍的更高的能量密度，使得电池可以尺寸减半，但是仍然与其它锂离子电池持续相同的时间。因此，锂金属电池是高能量储存系统最有前景的候选之一。

然而，锂金属电池可以潜在地显示出不可靠或降低的性能，导致可能降低电化学电池的使用寿命。产生的一个问题是锂金属反应性水平高，这可能导致界面不稳定以及锂金属在电化学电池的制造和操作期间暴露于各种物质发生不期望的反应(例如，可能导致枝状结晶的形成)。锂金属电池性能下降的另一个潜在原因可能与锂金属与金属集电器的长期弱粘结性有关，当电化学电池中使用锂基负极时，这会造成随时间的推移电阻和阻抗会产生不期望的增加。因此，期望的是研发用于高能量电化学电池的可靠的、高性能的含锂负极材料，其可以最小化随时间的推移而造成的性能降低(例如，最小化因长期使用而造成的的电阻/阻抗的增加和容量衰减)

发明内容

本部分提供了本发明的大致发明内容，但并不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

在各个方面，本发明提供了一种用于形成锂基负极的方法。该方法包括用还原性等离子体气体对金属集电器的表面进行处理，使得在该处理步骤之后，形成该金属集电器的处理表面。该处理表面可具有小于或等于约10°的接触角，并且具有小于或等于约5％的金属氧化物。金属集电器中的金属选自由以下各项所构成的组：铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)，及其组合。该方法还包括在基本不含氧化物质的环境中将锂金属施加至金属集电器的处理表面。锂金属流过并附着至该处理表面，以形成厚度大于或等于约1微米(μm)至小于或等于约75μm的锂层，从而形成锂金属负极。

一方面，该还原性等离子体气体包括选自由以下各项所构成的组的分子：氩(Ar)、氮(N₂)、氢气(H₂)、氨(NH₃)，及其组合。

一方面，用该还原性等离子体气体对该表面进行处理的步骤使用选自由以下各项所构成的组的等离子体源：由微波等离子体源产生的高能量等离子体、低压等离子体、感应耦合等离子体，及其组合。