СТРУКТУРА ЛИТИЕВОЙ БАТАРЕИ И ЕЕ ЭЛЕКТРОДНЫЙ СЛОЙ Российский патент 2020 года по МПК H01M10/525 H01M4/13 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка является частично продолжающей (CIP) по отношению к заявке на патент США № 15/727 707, поданной 9 октября 2017. Предыдущие заявки полностью включены в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к литиевой батарее, в частности к структуре литиевой батареи, включающей два электродных слоя одинаковой полярности, обращенных друг к другу, чтобы контролировать в этих областях плакирование дендритов лития для повышения безопасности использования батареи.

Предшествующий уровень техники

Самая большая проблема обычной литиевой батареи состоит в образовании дендрита лития. Поскольку токосъемник анодного электрода (обычно медная фольга) приближается к относительному потенциалу лития при нулевом напряжении, в ходе внутренней электрохимической реакции батареи на поверхности токосъемника постоянно происходит осаждение лития, приводя к образованию большого количества дендрита лития. Образование дендрита лития не только поглощает литий внутри батареи, сокращая его количество и постепенно, по мере увеличения числа циклов перезарядки, уменьшая емкость батареи; дендриты также могут проникать сквозь разделитель, а повреждение разделителя может приводить к внутреннему короткому замыканию или взрыву.

Один из распространенных путей решения этой проблемы состоит в добавлении в электролит присадок. За счет добавления различных присадок снижают вероятность осаждения ионов лития. Например, уменьшают энергию активации образования SEI-слоя (слоя перехода к твердому электролиту), избегая осаждения лития; или предусматривают специальные функциональные группы для образования промежуточных соединений лития, чтобы препятствовать осаждению лития. Кроме того, применяют специальный активный материал анодного электрода; например, оксид титаната лития (LTO) призван не допускать, чтобы активный материал анодного электрода приближался к относительному потенциалу лития при нулевом напряжении в процессе зарядки, благодаря чему можно избежать осаждения лития на анодном электродном слое. Однако, хотя вышеупомянутые способы позволяют создавать некоторые помехи осаждению лития, использование присадок в электролите обычно сопровождается появлением определенных побочных эффектов. Так, осаждение лития уменьшается, но некоторые из побочных эффектов снижают продуктивность внутренней электрохимической реакции батареи. Вместе с тем, потенциал оксида титаната лития выше, чем потенциал оксида лития, примерно на 1,5 вольт, и, когда оксид титаната лития используют в качестве активного материала анода при использовании существующего материала катода, напряжение разряда батареи снижается до приблизительно 2,4 В. Исходя из предположения, что теоретическая емкость оксида титаната лития сравнима с теоретической емкостью графита, плотностью энергии, которую обеспечивает батарея с оксидом титаната лития, приходится жертвовать.

Соответственно, для решения описанных выше проблем, в настоящем изобретении раскрывается структура литиевой батареи с соответствующим расположением двух электродов, позволяющая поддерживать высокую плотность энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель данного изобретения состоит в предоставлении структуры литиевой батареи, включающей два слоя активного материала одинаковой полярности, обращенных друг к другу. За счет этого плакирование дендрита лития ограничивается зоной между двумя слоями активного материала, чтобы плакированный дендрит лития не проникал сквозь разделитель.

Кроме того, еще одна цель данного изобретения состоит в предоставлении структуры литиевой батареи, которая включает две проводящие подложки, обращенные друг к другу. Проводящая подложка включает проводящую область для размещения слоя активного материала, область поверхностной изоляции, покрытую изоляционным слоем, и несколько сквозных отверстий, заполненных электролитом.

Цель данного изобретения состоит в предоставлении структуры литиевой батареи. За счет того, что два отрицательных слоя активного материала обращены друг к другу, а также за счет размещения изоляционного слоя, плакирование дендритов лития в направлении разделителя в сквозных отверстиях уменьшается, и изменение плакированных дендритов лития, проникающих сквозь разделитель, сокращается. Также, дендриты лития контролируемо плакируются в области между двумя слоями активного материала одинаковой полярности. Таким образом, дендриты лития могут использоваться как источник лития, что сокращает потребление ионов лития в батарее, увеличивая количество циклов использования батареи.

Цель данного изобретения состоит в предоставлении структуры литиевой батареи, в которой ион-проводящий слой размещен между двумя слоями активного материала одинаковой полярности. Ион-проводящий слой выполнен из ион-передающего материала и материала-основы, способного пропитывать ион-передающий материал. Материал-основа включает материалы зернистой или волокнистой структуры для образования пор с большой площадью поверхности. Электролит непрерывно и равномерно направляется к слоям активного материала одинаковой полярности за счет присоединения к большим площадям поверхности пор для повышения эффективности ионного обмена. Также, внутри пор ион-проводящего слоя плакируется и отслаивается дендрит лития. При плакировании дендрит лития присоединяется к зернистой или волокнистой структуре ион-проводящего слоя, образуя переход к твердому электролиту (SEI) для защиты металлического лития, чтобы снизить потери емкости батареи.

С целью реализации вышеописанного данное изобретение раскрывает структуру литиевой батареи, которая включает первый и второй блоки батареи. Каждый из блоков батареи включает первый токосъемник, первый слой активного материала, второй слой активного материала и второй токосъемник. Первый токосъемник включает проводящую подложку с несколькими сквозными отверстиями и изоляционный слой. Изоляционный слой размещен на первой поверхности проводящей подложки и покрывает боковые стенки сквозных отверстий, доходя до края просветов сквозных отверстий на второй поверхности. Первый слой активного материала размещен на непокрытой области второй поверхности. На нем последовательно размещены второй слой активного материала и второй токосъемник. Первый и второй блоки батареи по существу обращены друг к другу первыми слоями активного материала. Таким образом плакирование дендритов лития ограничивается зоной между ними для контроля плакированных областей дендритов лития. Изоляционный слой выполнен так, чтобы доходить до края просветов сквозных отверстий, чтобы понижать вероятность осаждения дендритов лития в сквозных отверстиях и вблизи разделителя. Таким образом устраняются проблемы внутреннего короткого замыкания и пониженной безопасности работы батареи, обусловленные дендритами лития.

Кроме того, ион-проводящий слой размещен между двумя первыми слоями активного материала первого и второго блоков батареи и доходит до сквозных отверстий. Электролит непрерывно и равномерно направляется к первым слоям активного материала для повышения эффективности ионного обмена. Также, ион-проводящий слой выполняет функцию опорной структуры, обеспечивая опору для SEI при плакировании/отслоении металлического лития. Таким образом, непрерывное образование SEI сокращается, что снижает потери емкости батареи.

Дополнительный объем применимости настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приводимого далее. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, представляя предпочтительные варианты осуществления изобретения, приводятся исключительно в иллюстративных целях, поскольку из этого подробного описания специалисты в области техники смогут без труда вывести различные изменения и модификации в пределах объема и сущности изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Настоящее изобретение станет понятнее из приводимого ниже подробного описания, имеющего исключительно иллюстративные цели и, таким образом, не ограничивающего настоящее изобретение, и где:

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение структуры литиевой батареи данного изобретения.

Фиг. 2A представляет собой схематическое изображение первого токосъемника структуры литиевой батареи данного изобретения.

Фиг. 2B представляет собой вид в поперечном разрезе, выполненный по линии A-A на фиг. 2A.

Фиг. 2C представляет собой схематическое изображение электродного слоя структуры литиевой батареи данного изобретения.

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение другого варианта осуществления структуры литиевой батареи данного изобретения.

На фиг. 4 показано частичное увеличение пакетной структуры на фиг. 3.

Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение другого варианта осуществления структуры литиевой батареи данного изобретения.

Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение другого варианта осуществления структуры литиевой батареи данного изобретения.

Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение другого варианта осуществления структуры литиевой батареи данного изобретения.

Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение первого токосъемника структуры литиевой батареи данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рассмотрим фиг. 1, которая представляет собой схематическое изображение структуры литиевой батареи данного изобретения. Структура литиевой батареи включает два блока батареи, т.е. первый блок 10a батареи и второй блок 10b батареи. Первый блок 10a батареи включает первый токосъемник 21, первый слой 22 активного материала, разделитель 23, второй слой 24 активного материала и второй токосъемник 25. Второй блок 10b батареи включает первый токосъемник 31, первый слой 32 активного материала, разделитель 33, второй слой 34 активного материала и второй токосъемник 35.

Опишем вначале первые токосъемники 21, 31; рассмотрим фиг. 2A и 2B. Фиг. 2A представляет собой схематическое изображение первого токосъемника структуры литиевой батареи данного изобретения. Фиг. 2B представляет собой вид в поперечном разрезе, выполненный по линии A-A на фиг. 2A. На фиг. 2A и 2B изображен первый токосъемник 21 первого блока 10a батареи. Первый токосъемник 21 включает проводящую подложку 211 и изоляционный слой 212. Проводящая подложка 211 выполнена из меди, никеля, железа, золота, цинка, серебра, титана или их сочетания, или из несплавляемых с литием материалов. Проводящая подложка 211 включает первую поверхность 2112 и вторую поверхность 2113, противолежащую и параллельную первой поверхности 2112. Проводящая подложка 211 дополнительно включает несколько сквозных отверстий 2111, проходящих от первой поверхности 2112 ко второй поверхности 2113. Изоляционный слой 212 размещен на первой поверхности 2112 проводящей подложки 211 и покрывает боковые стенки сквозных отверстий 2111, доходя до поверхности рядом с краем просветов сквозных отверстий 2111 на второй поверхности 2113. Как показано на фиг. 2B, изоляционный слой 212 размещен на первой поверхности 2112 проводящей подложки 211 и по существу полностью покрывает первую поверхность 2112 и боковые стенки сквозных отверстий 2111, и проходит дальше, покрывая расположенные рядом с просветом сквозных отверстий 2111 части второй поверхности 2113, образуя первые токосъемники 21.

Изоляционный слой 212, 312 выполнен из изоляционных керамических материалов, таких как изоляционный полимерный материал, изоляционный керамический материал, изоляционный стеклянный материал, изоляционный стекловолокнистый материал и любые их сочетания. Изоляционный полимерный материал включает полиимид, полиэтилентерефталат, полиуретан, полиакрилат, эпоксидную смолу или силикон. Изоляционный стекловолокнистый материал представляет собой стекловолокнистый материал на основе покрытой эпоксидной смолой стеклоткани класса FR4, такой как стекловолокнистый материал на основе покрытой эпоксидной смолой стеклоткани класса FR4.

Первый слой 22 активного материала размещен на непокрытой изоляционным слоем 212 области второй поверхности 2113 первого токосъемника 21. Таким образом, первый слой 22 активного материала находится в прямом контакте с первым токосъемником 21, показано на фиг. 2C. В общем виде, первый слой 22 активного материала выполнен из отрицательного материала, такого как металлический литий или литиевый сплав, который нанесен в виде покрытия или пасты. Кроме того, первым слоем 22 активного материала может быть углерод, оксид кремния или их сочетание. Первый токосъемник 31, состоящий из проводящей подложки 311 с несколькими сквозными отверстиями 3111 и изоляционного слоя 312, второго блока 10b батареи такой же, как в предыдущем варианте осуществления первого токосъемника 21 первого блока 10a батареи. Поэтому повторное описание будет опущено.

Как показано на фиг. 1, разделитель 23 размещен на первом токосъемнике 21 первого блока 10a батареи. На нем последовательно размещены второй слой 24 активного материала и второй токосъемник 25. Также, разделитель 33 размещен под первым токосъемником 31 второго блока 10b батареи. На нем последовательно размещены второй слой 34 активного материала и второй токосъемник 35. Ион-проводящий слой 13 размещен между двумя первыми токосъемниками 21, 31. Ион-проводящий слой 13 также проходит в сквозные отверстия 2111 первого токосъемника 21 первого блока 10a батареи, и в сквозные отверстия 3111 первого токосъемника 31 второго блока 10b батареи.

Ион-проводящий слой 13 может быть по существу выполнен только из ион-передающего материала, или может быть выполнен из ион-передающего материала и материала-основы, способного пропитывать ион-передающий материал.

Когда ион-проводящий слой 13 (основная часть) выполнен из ион-передающего материала и материала-основы, способного пропитывать ион-передающий материал, ион-передающий материал по существу представляет собой жидкий электролит, гелеобразный электролит, ионную жидкость, электролит из ионной жидкости, корректирующий материал для контактных поверхностей (подробное описание ниже) или их сочетание. Перечисленные выше материалы относятся к деформируемым или пропитывающимся материалам. Ион-проводящий слой 13 также может дополнительно включать небольшое количество твердого электролита на основе оксида. «Небольшое количество» означает, что это количество значительно меньше основной части по объему или по массе, как будет подробнее описано ниже. Пакетирующая структура 12 размещена между вторым токосъемником 25 первого блока 10a батареи и вторым токосъемником 35 второго блока 10b батареи для пакетирования всей структуры батареи.

Компоновка пакетирующей структуры 12 варьируется в зависимости от конфигурации первых токосъемников 21, 31. Как показано на фиг. 1, первый токосъемник 21 первого блока 10a батареи и первый токосъемник 31 второго блока 10b батареи выступают в обе стороны. Пакетирующая структура 12 делится на три сегмента, а именно: первый пакетный отсек 121, расположенный между вторым токосъемником 25 и первым токосъемником 21 первого блока 10a батареи, второй пакетный отсек 122, расположенный между первым токосъемником 21 первого блока 10a батареи и первым токосъемником 31 второго блока 10b батареи, и третий пакетный отсек 123, расположенный между первым токосъемником 31 и вторым токосъемником 35 второго блока 10b батареи. Первый пакетный отсек 121, второй пакетный отсек 122 и третий пакетный отсек 123 представляют собой обводную рамную структуру, изолирующую боковые стороны первого блока 10a батареи и второго блока 10b батареи. Структура может быть не только однослойной, как описано выше; в другом варианте осуществления данного изобретения первый пакетный отсек 121, второй пакетный отсек 122 и третий пакетный отсек 123 пакетирующей структуры 12 имеют трехслойную структуру. Рассмотрим фиг. 3 и 4, взяв в качестве примера первый пакетный отсек 121: первый пакетный отсек 121 включает силиконовый слой 1213 и два слоя 1211, 1212 модифицированного силикона, расположенных по обе стороны силиконового слоя 1213. Слои 1211, 1212 модифицированного силикона модифицированы корректировкой доли силикона конденсационного типа или силикона добавочного типа, или добавлением в силикон эпоксидной смолы, акриловой кислоты или их сочетания, чтобы повысить адгезию для разных материалов, т.е. для второго токосъемника 25, первого токосъемника 21 и силиконового слоя 1213. Таким образом модифицируется натяжение на границе раздела и полярность силикона. Также, общий внешний вид получается более целостным и повышается производительность. Кроме того, это дает возможность блокировать влагу, которая просачивается из первого пакетного отсека 121. Внутри силиконовый отсек может предохранять от повреждения полярные растворители и пластификаторы, и вся пакетная структура становится более целостной. Второй пакетный отсек 122 и третий пакетный отсек 123 такие же, как в предыдущем варианте осуществления первого пакетного отсека 121. Поэтому повторное описание будет опущено.

Рассмотрим фиг. 5, где снаружи пакетирующей структуры 12 может иметься внешняя пакетирующая структура 15. За счет этой двухрамной структуры повышается способность структуры литиевой батареи блокировать влагу и кислород. У внешней пакетирующей структуры 15 могут быть такие же материалы или компоновки, как у пакетирующей структуры 12, или другие материалы или компоновки.

Рассмотрим фиг. 1: первый блок 10a батареи и второй блок 10b батареи по существу обращены друг к другу первыми слоями 22, 32 активного материала. Иными словами, непокрытая изоляционным слоем 212 область первого токосъемника 21 первого блока 10a батареи обращена к непокрытой изоляционным слоем 312 области первого токосъемника 31 второго блока 10b батареи. В общем виде, в случае литиевых батарей, первый слой 22, 32 активного материала и первый токосъемник 21, 31 являются отрицательным электродом. Второй слой 24, 34 активного материала и второй токосъемник 25, 35 являются положительным электродом. Поэтому изоляционные слои 212 первого токосъемника 21, 31 могут избегать электрического контакта с поверхностью рядом с просветами. Это может эффективно сокращать осаждение дендритов лития в ходе электрохимической реакции батареи. Также, первый блок 10a батареи и второй блок 10b батареи обращены друг к другу первыми слоями 22, 32 активного материала. За счет этого плакирование дендритов лития ограничивается зоной между первыми слоями 22, 32 активного материала, чтобы плакированный дендрит лития не проникал сквозь разделитель 23, 33. Кроме того, дендриты лития контролируемо плакируются между первыми слоями 22, 32 активного материала. Таким образом, дендриты лития могут использоваться как источник лития, что сокращает потребление ионов лития в батарее, увеличивая количество циклов использования батареи. Кроме того, образовавшиеся дендриты лития могут обеспечивать скрытое напряжение, препятствующее образованию новых дендритов лития.

В данном варианте осуществления расстояние между первым слоем 22 активного материала первого блока 10a батареи и первым слоем активного материала 32 второго блока 10b батареи составляет 5-100 микрометров.

Кроме того, благодаря электроизоляционным свойствам изоляционных слоев 212, 312, ионы лития не будут осаждаться по центру вблизи просветов сквозных отверстий в ходе электрохимической реакции батареи. Соответственно, дендриты лития не образуются внутри сквозных отверстий 2111, 3111 и не растут в сторону разделителей 23, 33. Расположение и количество плакированных дендритов лития можно эффективно контролировать, решая проблемы внутреннего короткого замыкания и пониженной безопасности работы батареи.

Материал-основа ион-проводящего слоя 13 пористый и способен пропитывать ион-передающий материал. Материал-основа выполнен из полимерного материала, керамического материала, стеклянного материала, волокнистого материала или их сочетания. Также, материал-основа является пористым за счет штабелирования зернистых материалов или перекрещивания волокнистых материалов с образованием пор. Зернистые материалы включают керамические частицы, полимерные частицы или стеклянные частицы. Волокнистые материалы включают полимерные волокна или стекловолокно.

Поверхности зернистых материалов или волокнистых материалов обрабатывают, чтобы получить либо отрицательные, либо положительные поверхностные заряды. Например, когда поверхности пор имеют положительные поверхностные заряды, эффект двойного электрического слоя уменьшается, и поляризация миграции ионов лития тоже уменьшается. Когда поверхности пор имеют отрицательные поверхностные заряды, распределение ионов лития является более равномерным.

Благодаря тому, что в материале имеются поры, образованные зернистыми материалами или волокнистыми материалами, дендрит лития плакируется и отслаивается внутри пор материала-основы. При плакировании дендрит лития присоединяется к частицам или волокнам, повышая прочность перехода к твердому электролиту (SEI). По сравнению с толщиной SEI, около 10-50 нанометров, объемные изменения плакирования/отслоения дендритов лития, 15-20 микрон, слишком резкие, и, если не предусмотреть опору, SEI будет серьезно поврежден при плакировании и/или отслоении дендрита лития. Концентрация ионов лития будет поглощаться, и это приведет к обратимой потери емкости батареи. В связи с этим, структура зернистых материалов или волокнистых материалов материала-основы может обеспечивать опору для SEI, чтобы снижать потери емкости батареи. При определенных условиях части зернистых материалов или волокнистых материалов могут вступать в реакцию с образованием SEI. Таким образом, непрерывное образование SEI сокращается, что снижает потери емкости батареи.

Кроме того, за счет поверхностного натяжения структуры зернистых материалов или волокнистых материалов материала-основы электролит непрерывно и равномерно направляется к первым слоям 22, 32 активного материала для повышения продуктивности ионного обмена. Поверхности зернистых материалов или волокнистых материалов обрабатывают, чтобы получить либо отрицательные, либо положительные поверхностные заряды, добиваясь более равномерного распределения электролита. Когда поверхности пор имеют положительные поверхностные заряды, поляризация миграции ионов лития уменьшается. Когда поверхности пор имеют отрицательные поверхностные заряды, распределение ионов лития является более равномерным, и у дендритов лития имеется тенденция к ненаправленному росту.

Кроме того, предполагается, что материал ион-проводящего слоя 13 по существу является изоляционным материалом, что может препятствовать короткому замыканию между положительными и отрицательными токосъемниками из-за контакта друг с другом. Разделители 23, 33 можно опустить, показано на фиг. 6.

Далее, следующий вариант осуществления относится к ион-проводящему слою 13, который выполнен только из ион-передающего материала. Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение структуры литиевой батареи данного изобретения. Поскольку некоторые компоненты фиг. 7 такие же, как в описанных выше иллюстративных вариантах осуществления, показанных на фиг. 1, их повторное описание будет опущено. Основное различие между фиг. 1 и фиг. 7 состоит в том, что ион-проводящий слой не содержит упомянутого выше материала-основы. Основная часть ион-передающего материала представляет собой неорганический твердый электролит, такой как твердый электролит на основе оксида или твердый электролит на основе сульфида, с низкой способностью к деформации, т.е. большей устойчивостью к напряжению. Этот ион-проводящий слой обозначен как слой 14 неорганического твердого электролита на фиг. 7. Также, наружные поверхности первых токосъемников 21, 31 покрыты изоляционными слоями 212, 312. При сгибании батареи не возникнет проблемы короткого замыкания из-за контакта друг с другом положительных и отрицательных токосъемников. Поэтому разделители 23, 33 можно опустить. В другом варианте осуществления слой 14 неорганического твердого электролита может дополнительно включать небольшое количество жидкого электролита, гелеобразного электролита, ионной жидкости, электролита из ионной жидкости или их сочетания. Электролит может распределяться более равномерно, и проблема высокого сопротивления переходных слоев между неорганическими твердыми электролитами может быть решена. Также, на фиг. 7 первый пакетный отсек 121, второй пакетный отсек 122 и третий пакетный отсек 123 пакетирующей структуры 12 могут представлять собой однослойную или трехслойную структуру. Поскольку эти компоненты фиг. 7 такие же, как в описанных выше иллюстративных вариантах осуществления, показанных на фиг. 4, их повторное описание будет опущено.

Для решения проблем высокого сопротивления переходных слоев, обусловленных плохим контактом между неорганическими твердыми электролитами, корректирующий материал для контактных поверхностей может быть нанесен на частицы неорганического твердого электролита, или размещен между неорганическими твердыми электролитами. Тогда путь переноса ионов от поверхности к поверхности между неорганическими твердыми электролитами будет образован корректирующим материалом. Корректирующий материал главным образом состоит из полимерной подложки, способной передавать ионы лития внутри материала, и присадочного материала, способного диссоциировать литиевую соль и используемого в качестве пластификатора.

Полимерная подложка, способная передавать ионы лития внутри материала, означает, что материал не содержит ионов лития в самом материале или во время начала электрохимической реакции, но ионы лития могут передаваться. Например, полимерная подложка может представлять собой материал линейной структуры без солей, такой как PEO. Также, помимо переноса ионов лития, полимерная подложка может представлять собой сетчатую структуру для повышения механической прочности пленки, образуемой полимерной подложкой. Полимерная подложка с сетчатой структурой может представлять собой поли(этиленгликоль)диакрилат (PEGDA), поли(этиленгликоль)диметакрилат (PEGDMA), поли(этиленгликоль) монометиловый эфир (PEGME), поли(этиленгликоль) диметиловый эфир (PEGDME), поли[этиленоксид-ко-2-(2-метоксиэтокси)этилглицидиловый эфир] (PEO/MEEGE) или гиперразветвленные полимеры, такие как поли[бис(триэтиленгликоль)бензоат, или полинитрилы, такие как полиакрилонитрил (PAN), поли(метакрилонитрил) (PMAN), поли(N-2-цианоэтил)этиленамин) (PCEEI).

С другой стороны, корректирующий материал может дополнительно смешиваться с материалом-ингибитором кристаллизации и материалом-источником ионов. Материалом-источником ионов может быть литиевая соль, такая как LiTFSI, LiFSI, LiBF₄, LiPF₆, чтобы повысить концентрацию ионов лития. Материал-ингибитор кристаллизации применяется для снижения степени кристаллизации, например, поли(этилметакрилат) (PEMA), поли(метилметакрилат) (PMMA), поли(оксиэтилен), поли(цианоакрилат) (PCA), полиэтиленгликоль (PEG), поли(виниловый спирт) (PVA), поливинилбутирал (PVB), поли(винилхлорид) (PVC), PVC-PEMA, PEO-PMMA, поли(акрилонитрил-ко-метилметакрилат) (P(AN-co-MMA)), PVA-PVdF, PAN-PVA, PVC-PEMA, поликарбонаты, такие как поли(этилен оксид-ко-этиленкарбонат) (PEOEC), полиэдрический олигомерный силсесквиоксан (POSS), полиэтилен карбонат (PEC), поли(пропилен карбонат) (PPC), поли(этилглицидиловый эфир карбонат) (P(Et-GEC)), поли(т-бутил глицидиловый эфир карбонат)( P(tBu-GEC)), циклические карбонаты, такие как поли (триметиленкарбонат) (PTMC), соединения на основе поливинилсилоксана, такие как полидиметилсилоксан(PDMS), поли(диметилсилоксан-ко-этиленоксид) (P(DMS-co-EO)), поли(силоксан-g-этиленоксид), полиэфиры, такие как этилен адипат, этилен сукцинат, этилен малонат. Кроме того, им также может быть поли(винилиденфторид гексафторпропилен) (PvdF-HFP), поли(винилиденфторид) (PvdF) или поли(ε-капролактон) (PCL).

Присадочным материалом, выполняющим функцию пластификатора и диссоциирующим литиевую соль, могут быть пластичные кристаллические электролиты (PCE), такие как сукцинонитрил (SN) [ETPTA//SN; PEO/SN; PAN/PVA-CN/SN]), N-этил-N-метилпирролидиниум, [C2mpyr] + AnionsN, N-диэтил-пирролидиниум,[C2epyr], четвертичный алкиламмоний, n-алкилтриметилфосфоний, [P1,1,1,n], декаметилферро-цений, [Fe(C₅Me₅)₂]), 1-(N, N-диметиламмоний)-2-(аммоний)этан трифлат ([DMEDAH2][Tf]2, Anions=[FSI], [FSA], [CFSA], [BETA]), LiSi(CH₃)₃SO₄, триметил(литий триметилсилилсульфат), или ионная жидкость, возможно имидазол, такой как анион/бис(трифторметансульфонил)имид), анион/бис(фторсульфонил)имид, анион/ трифторметансульфонат, или аммоний, такой как анион/бис(трифторметансульфонил)имид, или пирролидиний, такой как анион/бис(трифторметансульфонил)имид, анион/бис(фторсульфонил)имид, или пиперидиний, такой как анион/бис(трифторметансульфонил)имид, анион/бис(фторсульфонил)имид.

Корректирующий материал может дополнительно смешиваться со второй присадкой, такой как наноразмерный неактивный керамический материал (оксид, не являющийся электролитом), наноразмерный неорганический твердый электролит или проводящий материал. Когда второй присадкой является неактивный керамический материал, количество используемой полимерной подложки и присадки может быть уменьшено. Кроме того, повышается пленкообразующая способность корректирующего материала, и неактивный керамический материал используется в качестве упрочняющего пленку материала. Этим материалом может быть диоксид кремния. Когда второй присадкой является наноразмерный неорганический твердый электролит, количество используемой полимерной подложки и присадки может быть уменьшено, и при этом обеспечивается высокоскоростной путь переноса ионов. Неорганическим твердым электролитом может быть твердый электролит на основе оксида, твердый электролит на основе сульфида или любой другой неорганический твердый электролит. Например, когда перенос ионов происходит в корректирующем материале, ионы могут передаваться через корректирующий материал, или через наноразмерный неорганический твердый электролит при контакте с наноразмерным неорганическим твердым электролитом.

Кроме того, содержание корректирующего материала выше вблизи первого и второго слоя 22, 32, 24, 34 активного материала. За счет этого выполняется требование низкочастотной передачи вблизи активных материалов. Вдали от активных материалов требуется высокочастотная передача. Поэтому содержание твердого электролита выше.

Также, когда ион-проводящий слой состоит только из ион-передающего материала, ион-передающий материал может состоять из вышеупомянутого корректирующего материала и материала-источника ионов, или дополнительно смешиваться с материалом-ингибитором кристаллизации.

Чтобы четко описать расположение первых слоев 22 активного материала первого блока 10a батареи и первых слоев 32 активного материала второго блока 10b батареи, при котором они обращены друг к другу, рассмотрим фиг. 8 и 2B. Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение первого токосъемника структуры литиевой батареи данного изобретения. Изоляционный слой 212 размещен так, чтобы полностью покрывать первую поверхность 2112 и проходить вдоль боковых стенок сквозных отверстий 2111 до края просветов сквозных отверстий 2111 на второй поверхности 2113. Таким образом, непокрытой изоляционным слоем 212 областью второй поверхности 2113 первого токосъемника 21 являются участки снаружи края просветов сквозных отверстий 2111 на второй поверхности 2113. Первый слой 22 активного материала размещен в этой области. Первые слои 22 активного материала первого блока 10a батареи и первые слои 32 активного материала второго блока 10b батареи обращены друг к другу, чтобы дендриты лития контролировано плакировались между ними. Таким образом, это обращенное друг к другу расположение ведет к плакированию дендритов лития между первыми слоями 22, 32 активного материала. Изобретение не ограничивается тем, чтобы распределение и расположение первых слоев 22 активного материала первого блока 10a батареи и первых слоев 32 активного материала второго блока 10b батареи были одинаковыми. Относительное расположение, распределение или схемы могут быть модифицированы или изменены. Контроль над тенденцией роста дендритов лития все равно достигается.

Соответственно, в данном изобретении два отрицательных слоя активного материала обращены друг к другу, чтобы эффективно контролировать места плакирования дендритов лития. Как следствие, значительно повышается безопасность работы батареи и срок ее службы.

После ознакомления с описанным таким образом изобретением будет очевидно, что одно и то же можно варьировать множеством разных способов. Такие варианты не должны рассматриваться как выход за пределы сущности и объема изобретения, и все такие модификации, как будет очевидно специалисту в области техники, должны быть включены в объем приводимой далее формулы изобретения.

Изобретение относится к структуре литиевой батареи и ее электродному слою. Структура литиевой батареи включает два блока батареи, в которых два отрицательных слоя активного материала обращены друг к другу. Отрицательный токосъемник включает проводящую подложку с несколькими сквозными отверстиями и изоляционный слой. Изоляционный слой покрывает одну поверхность проводящей подложки и переходит по сквозным отверстиям на другую поверхность, покрывая края просветов сквозных отверстий. Это может эффективно препятствовать осаждению дендритов лития рядом с просветами сквозных отверстий на проводящей подложке. Также, благодаря тому что отрицательные слои активного материала обращены друг к другу, можно эффективно контролировать места плакирования дендритов лития. Техническим результатом является повышение безопасности работы батареи и срок ее службы. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Структура литиевой батареи, содержащая:

первый и второй блоки батареи, причем каждый из блоков батареи включает первый токосъемник, первый слой активного материала, второй слой активного материала и второй токосъемник, где первый токосъемник содержит:

проводящую подложку, включающую первую поверхность, вторую поверхность, противолежащую и параллельную первой поверхности, и несколько сквозных отверстий, проходящих от первой поверхности ко второй поверхности; и

изоляционный слой, размещенный на первой поверхности проводящей подложки и по существу полностью покрывающий первую поверхность и боковые стенки сквозных отверстий, и проходящий дальше для покрытия частей второй поверхности;

где первый слой активного материала размещен на непокрытой области второй поверхности, и второй слой активного материала и второй токосъемник последовательно размещены на первой поверхности проводящей подложки, полностью покрытой изоляционным слоем;

где первый и второй блоки батареи по существу обращены друг к другу первыми слоями активного материала;

ион-проводящий слой, размещенный между первыми слоями активного материала первого и второго блоков батареи; и

пакетирующую структуру, размещенную между вторыми токосъемниками первого и второго блоков батареи, для пакетирования первого и второго блоков батареи.

2. Структура литиевой батареи по п. 1, отличающаяся тем, что материал изоляционного слоя представляет собой изоляционный полимерный материал, изоляционный керамический материал, изоляционный стеклянный материал, изоляционный стекловолокнистый материал или их сочетание.

3. Структура литиевой батареи по п. 2, отличающаяся тем, что изоляционный полимерный материал включает полиимид, полиэтилентерефталат, полиуретан, полиакрилат, эпоксидную смолу и силикон, и изоляционный стекловолокнистый материал включает стекловолокнистый материал на основе покрытой эпоксидной смолой стеклоткани класса FR4.

4. Структура литиевой батареи по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между первыми слоями активного материала первого и второго блоков батареи составляет 5-100 микрометров.

5. Структура литиевой батареи по п. 1, отличающаяся тем, что ион-проводящий слой выполнен из ион-передающего материала и материала-основы, способного пропитывать ион-передающий материал.

6. Структура литиевой батареи по п. 5, отличающаяся тем, что материал-основа является пористым и выполнен из полимерного материала, керамического материала, стеклянного материала, волокнистого материала или их сочетания.

7. Структура литиевой батареи по п. 6, отличающаяся тем, что материал-основа является пористым за счет зернистого или волокнистого материала.

8. Структура литиевой батареи по п. 5, отличающаяся тем, что ион-передающий материал представляет собой жидкий электролит, гелеобразный электролит, ионную жидкость, электролит из ионной жидкости или их сочетание.

9. Структура литиевой батареи по п. 5, отличающаяся тем, что ион-передающий материал выполнен из корректирующего материала для контактных поверхностей и способной к диссоциации литиевой соли, и корректирующий материал главным образом состоит из полимерной подложки, способной передавать ионы металла внутри материала, и присадочного материала, способного диссоциировать литиевую соль и используемого в качестве пластификатора.

10. Структура литиевой батареи по п. 9, отличающаяся тем, что корректирующий материал дополнительно включает материал-ингибитор кристаллизации.

11. Структура литиевой батареи по п. 1, отличающаяся тем, что первый и второй блоки батареи дополнительно включают разделитель, соответственно, и этот разделитель размещен между вторым слоем активного материала и первым токосъемником.

12. Структура литиевой батареи по п. 1, отличающаяся тем, что ион-проводящий слой по существу выполнен только из ион-передающего материала.

13. Структура литиевой батареи по п. 12, отличающаяся тем, что ион-передающий материал представляет собой неорганический твердый электролит.

14. Структура литиевой батареи по п. 13, отличающаяся тем, что ион-передающий материал дополнительно включает жидкий электролит, гелеобразный электролит, ионную жидкость, электролит из ионной жидкости или их сочетание.

15. Структура литиевой батареи по п. 13, отличающаяся тем, что ион-передающий материал дополнительно включает корректирующий материал для контактных поверхностей, и корректирующий материал главным образом состоит из полимерной подложки, способной передавать ионы металла внутри материала, и присадочного материала, способного диссоциировать литиевую соль и используемого в качестве пластификатора.

16. Структура литиевой батареи по п. 15, отличающаяся тем, что корректирующий материал дополнительно включает материал-ингибитор кристаллизации.

17. Структура литиевой батареи по п. 15, отличающаяся тем, что корректирующий материал дополнительно включает материал-источник ионов.

18. Структура литиевой батареи по п. 12, отличающаяся тем, что ион-передающий материал выполнен из корректирующего материала для контактных поверхностей и способной к диссоциации литиевой соли, и корректирующий материал главным образом состоит из полимерной подложки, способной передавать ионы металла внутри материала, и присадочного материала, способного диссоциировать литиевую соль и используемого в качестве пластификатора.

19. Структура литиевой батареи по п. 18, отличающаяся тем, что корректирующий материал дополнительно включает материал-ингибитор кристаллизации.

20. Электродный слой структуры литиевой батареи, содержащий:

проводящую подложку, включающую первую поверхность, вторую поверхность, противолежащую и параллельную первой поверхности, и несколько сквозных отверстий, проходящих от первой поверхности ко второй поверхности;

изоляционный слой, размещенный на первой поверхности проводящей подложки и по существу полностью покрывающий первую поверхность и боковые стенки сквозных отверстий, и проходящий дальше для покрытия частей второй поверхности; и

слой активного материала, размещенный на непокрытой области второй поверхности проводящей подложки.

21. Электродный слой по п. 20, отличающийся тем, что материал изоляционного слоя представляет собой изоляционный полимерный материал, изоляционный керамический материал, изоляционный стеклянный материал, изоляционный стекловолокнистый материал или их сочетание.

22. Электродный слой по п. 21, отличающийся тем, что изоляционный полимерный материал включает полиимид, полиэтилентерефталат, полиуретан, полиакрилат, эпоксидную смолу и силикон, и изоляционный стекловолокнистый материал включает стекловолокнистый материал на основе покрытой эпоксидной смолой стеклоткани класса FR4.

23. Электродный слой по п. 20, отличающийся тем, что слой активного материала выполнен из металлического лития, литиевого сплава, углерода, оксида кремния или их сочетания.