[发明专利]制造锂金属负极的方法

说明书

用于锂金属电池的电化学电池的负极可以通过将锂金属层和金属集电器层焊接在一起来制造。锂金属层和集电器层可以彼此相邻地布置并且以至少部分搭接的构造布置，使得层的接合表面彼此面对并在焊接部位处在它们之间建立接合界面。激光束可以被引导到集电器层的外表面在焊接部位处，以熔化与集电器层的接合表面相邻的锂金属层的一部分，并产生锂金属熔化焊池。可以终止激光束以使熔化焊池凝固成固体焊接接头，该固体焊接接头在焊接部位处将锂金属层和集电器层物理地粘结在一起。

引言

电池是一种储存化学能的装置，能够通过电化学还原-氧化(氧化还原)反应将其储存的化学能转化为电能。在二次电池或可充电电池中，这些电化学反应是可逆的，其允许电池经历多次充电和放电循环。

二次锂电池的电化学电池通常包括通过离子导电(和电绝缘)电解质彼此分离的负极和正极。电解质提供介质，通过该介质，在电池的充电和放电期间锂离子可以在电极之间转移。能量以锂的形式存储在电池的负极和正极中，电池的能量密度取决于每单位质量的电极的锂存储容量以及负极与正极之间的锂的电化学电位差。锂金属具有相对低的密度并且呈现出任何元素的最负电化学电势(相对于标准氢电极)，允许电化学电池内的最高可能的电化学电势差，从而使其成为锂电池负极的理想材料。

实际上，电化学电池中的负极和正极各自电耦合到导电金属集电器，该金属集电器提供介质，电子可以通过该介质经由外部电路从一个电极行进到另一个电极。因此，锂金属作为锂电池的负极材料的实际应用需要开发一种方法，该方法可用于在锂金属层和金属集电器之间形成稳固的物理和电粘结，而不会对锂金属层的机械完整性产生不利的影响，也不会引发锂金属层与周围环境之间的任何不期望的化学反应。

发明内容

在制造锂金属电池的电化学电池的负极的方法中，可以提供锂金属层和金属集电器层。锂金属层可以具有限定外表面的第一侧和限定接合表面的相对的第二侧，并且金属集电器层可以具有限定外表面的第一侧和限定接合表面的相对的第二侧。锂金属层和集电器层可以彼此相邻地布置并且以至少部分搭接的构造布置，使得层的接合表面彼此面对并在焊接部位处在它们之间建立接合界面。可以将锂金属层和集电器层夹在支撑板和透明顶板之间，使得锂金属层的第一侧面向支撑板，集电器层的第一侧面向透明顶部，并且层的接合表面在焊接部位相互挤压。激光束可以被引导到集电器层的外表面在焊接部位处，以熔化与集电器层的接合表面相邻的锂金属层的一部分，并产生锂金属熔化焊池，该熔化焊池润湿集电器层的接合表面。可以终止激光束以使熔化焊池凝固成固体焊接接头，该固体焊接接头在焊接部位处将锂金属层和集电器层物理地粘结在一起。

与锂金属层相比，金属集电器层可具有相对高的熔点。在这种情况下，熔化焊池可以在锂金属层和集电器层之间的接合界面处产生，而不会穿透或熔化集电器层的接合表面。

激光束可以以导电焊接模式操作，使得锂金属熔化焊池部分地穿透锂金属层并从锂金属层的第二侧部分地延伸到锂金属层的第一侧。

金属集电器层可包括至少一种选自由铜、镍、不锈钢和钛组成的组的金属或金属合金。

金属集电器层可包含无孔金属箔、穿孔金属片或多孔金属网。

固体焊接接头可以形成在锂金属层和集电器层之间，而不使用焊剂、填料或焊料材料。

激光束可以是连续波激光束，其功率密度在3×10⁴W/cm²至1×10⁶W/cm²的范围内，速度在0.2m/s至2m/s的范围内，激光束光斑尺寸在0.2mm至1mm的范围内。

在将激光束引导到集电器层的外表面之前，可以将锂金属层和集电器层封闭在腔室内，并且可以在腔室内建立低于大气压的环境。

腔室可包括透明窗口。在此类情况下，激光束可以在被引导到集电器层的外表面之前传播通过透明顶板并通过透明窗口。