ЛИТИЕВЫЙ ЭЛЕКТРОД Российский патент 2023 года по МПК H01M4/13 H01M10/525 

Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании патентной заявки Тайваня 110132793, поданной в патентное ведомство Тайваня 03 сентября 2021 г., содержание которой полностью включено в настоящий документ путем отсылки.

Область техники

Данное изобретение относится к электроду, в частности, к литиевому электроду, применяемому для литий-ионных вторичных аккумуляторов.

Предшествующий уровень техники

По сравнению с существующей нелитиевой аккумуляторной системой литиевая аккумуляторная система обладает такими преимуществами, как высокое рабочее напряжение (до 3,6 В), высокая удельная энергоемкость (до 120 Вт⋅ч/кг), низкая масса, более длительный срок службы, экологическая безопасность и т.д. Согласно истории исследований литиевых аккумуляторных систем самым первым разработанным литиевым аккумулятором является перезаряжаемый аккумулятор из металлического лития, который обладает высокой удельной энергоемкостью, в то же время обладает серьезными проблемами устойчивости и безопасности в связи с высокой способностью реакции с электролитом. Учитывая проблему безопасности аккумуляторной системы из металлического лития, разработки перезаряжаемого литиевого аккумулятора постепенно фокусируются на замене органического растворителя полимерным электролитом.

Что касается характеристик аккумуляторной системы, за исключением требований к безопасности, важно обеспечить емкость аккумуляторной системы, достаточную для поддержания продолжительности работы устройства. Следовательно, емкость аккумуляторной системы снова становится важной проблемой разработки. Ранее разработка аккумуляторной системы из металлического лития была приостановлена в связи с проблемой безопасности. В сравнении с литий-ионными и литий-полимерными системами удельная энергоемкость системы из металлического лития намного выше, чем в других системах. Тем не менее, так как металлический литий обладает высокой химической активностью, происходит экстремальная реакция окисления-восстановления, если металлический литий не хранится или не эксплуатируется в надлежащих условиях. На практике аккумуляторная система из металлического лития в достаточной мере подходит для существующего интеллектуального электрического устройства, только если будут устранены проблемы безопасности, обработки и хранения металлического лития.

Таким образом, преодоление технического узкого места, которое всегда существовало в аккумуляторной системе из металлического лития, стало центром внимания производителей аккумуляторных систем. Например, в процессе зарядки металлический литий неравномерно оседает на поверхности электрода, что приводит к быстрому осаждению в некоторых частях и образованию древовидных кристаллов, называемых литиевыми дендритами. Когда литиевые дендриты постепенно растут, они могут ломаться и образовывать разряженный литий, что приведет к необратимым потерям емкости. Более серьезная проблема состоит в том, что литиевые дендриты могут протыкать разделитель, приводя к внутренним коротким замыканиям и взрывам аккумулятора. Кроме того, так как литий — очень реактивный материал, он может реагировать с электролитом, что приведет к потреблению активного лития и потенциальным проблемам безопасности.

Соответственно, для преодоления вышеуказанных проблем предусмотрен литиевый электрод.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является предложение литиевого электрода. Наложение литиевых дендритов ограничено в определенной области за счет расположения слоя электропроводящей конструкции и слоя твердого электролита.

Целью данного изобретения является предложение литиевого электрода. Слой твердого электролита и слой хранения электролита, расположенный над слоем твердого электролита, эффективно ограничивают высоту наложения литиевого дендрита во время зарядки благодаря его конструкционной прочности. Литиевый дендрит в основном будет накладываться горизонтально, чтобы предотвратить проникновение через электроизолятор, т.е. разделитель, для предотвращения внутреннего короткого замыкания. В то же время ограничено наложение литиевых дендритов в вертикальном направлении, так чтобы толщина аккумулятора значительно не изменялась.

Другой целью данного изобретения является предложение литиевого электрода. За счет расположения пористого покрывающего слоя, слоя хранения электролита и слоя твердого электролита литиевые дендриты могут только толкать слой твердого электролита в сторону слоя хранения электролита во время наложения и удаления литиевых дендритов. Слой хранения электролита будет сжат или высвобожден, чтобы жидкий или гелеобразный электролит, введенный в него, вытекал или затекал. Жидкий или гелеобразный электролит, введенный в слой хранения электролита, не контактирует с отрицательным активным материалом, слоем металлического лития, чтобы предотвратить распад жидкого или гелеобразного электролита и снизить необратимые потери емкости.

Для реализации вышеуказанного данное изобретение раскрывает литиевый электрод, содержащий слой электропроводящей конструкции, слой металлического лития, слой твердого электролита, слой хранения электролита и пористый покрывающий слой. Слой электропроводящей конструкции имеет по меньшей мере одно углубление с отверстием с одной стороны, и внутренняя поверхность углубления имеет по меньшей мере одну электропроводящую область и по меньшей мере одну электроизолирующую область. Слой металлического лития расположен в углублении слоя электропроводящей конструкции и контактирует с электропроводящей областью. Слой твердого электролита и слой хранения электролита последовательно расположены на нем. Пористый покрывающий слой расположен на слое электропроводящей конструкции, чтобы закрывать отверстие углубления. За счет такого расположения слой хранения электролита с введенным жидким или гелеобразным электролитом не контактирует со слоем металлического лития в связи с существованием слоя твердого электролита. Кроме того, когда литиевые дендриты вырастают из слоя металлического лития, литиевые дендриты будут непосредственно подавляться слоем твердого электролита. Также слой твердого электролита ограничен слоем хранения электролита, расположенным сверху. Таким образом, литиевые дендриты могут только толкать слой твердого электролита в сторону слоя хранения электролита и сжимать слой твердого электролита. Наложение литиевых дендритов будет ограничено в определенной области и будет осуществляться в горизонтальном направлении. Литиевые дендриты не будут проникать сквозь электроизолятор, т.е. разделитель, во избежание внутреннего короткого замыкания.

Сфера применения согласно данному изобретению будет очевидна из подробного раскрытия ниже. Тем не менее следует понимать, что подробное раскрытие и конкретные примеры, в то время как отображают предпочтительные варианты осуществления изобретения, представлены только в иллюстративных целях, так как различные изменения и модификации в рамках сущности и объема данного изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из данного подробного раскрытия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Данное изобретение будет детализировано в приведенном ниже подробном раскрытии, носящем исключительно иллюстративный, а не ограничительный характер, в котором:

ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение литиевого электрода согласно данному изобретению.

ФИГ. 2 представляет собой схематическое изображение слоя электропроводящей конструкции литиевого электрода согласно ФИГ. 1 данного изобретения.

ФИГ. 3А представляет собой схематическое изображение первого варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции литиевого электрода согласно данному изобретению.

ФИГ. 3B представляет собой схематическое изображение литиевого электрода на основе первого варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции, показанного на ФИГ. 3А, согласно данному изобретению.

ФИГ. 4А представляет собой схематическое изображение второго варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции литиевого электрода согласно данному изобретению.

ФИГ. 4B представляет собой схематическое изображение литиевого электрода на основе второго варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции, показанного на ФИГ. 4А, согласно данному изобретению.

ФИГ. 5 представляет собой схематическое изображение литиевого электрода на ФИГ. 4А данного изобретения, в котором используют рамку из электроизолирующего клея.

ФИГ. 6А и 6B представляют собой схематические изображения литиевого электрода согласно данному изобретению при использовании для аккумуляторной системы.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение раскрывает литиевый электрод. См. ФИГ. 1, представляющую собой схематическое изображение литиевого электрода согласно данному изобретению. Литиевый электрод 10 согласно данному изобретению содержит электропроводящую конструкцию 11, слой 12 металлического лития, слой 13 твердого электролита, слой 14 хранения электролита и пористый покрывающий слой 15. Слой 11 электропроводящей конструкции имеет по меньшей мере одно углубление 111 с отверстием с одной стороны. Также см. ФИГ. 2, представляющую собой схематическое изображение слоя электропроводящей конструкции литиевого электрода согласно ФИГ. 1 данного изобретения. Предпочтительно ширина отверстия углубления 111 больше 0 или не менее 50 мкм. Максимальное доступное значения зависит от активного диапазона аккумулятора. Также глубина углубления 111 имеет диапазон от 15 до 40 мкм.

Внутренняя поверхность углубления 111 имеет по меньшей мере одну электропроводящую область 113 и по меньшей мере одну электроизолирующую область 112. Слой металлического лития 12 расположен в углублении 111 слоя 11 электропроводящей конструкции и контактирует с электропроводящей областью 113. Толщина слоя 12 металлического лития находится в диапазоне от 0,3 до 5 мкм. Слой 13 твердого электролита подвижно расположен в углублении 111 слоя 11 электропроводящей конструкции. Нижняя часть слоя 13 твердого электролита покрывает слой 12 металлического лития и контактирует с ним, а стороны слоя 13 твердого электролита контактируют с электроизолирующей областью 112. Слой 14 хранения электролита расположен в углублении 111 слоя 11 электропроводящей конструкции. Нижняя часть слоя 14 хранения электролита покрывает слой 13 твердого электролита и контактирует с ним, а стороны слоя 14 хранения электролита контактируют с электроизолирующей областью 112. Пористый покрывающий слой 15 расположен на слое 11 электропроводящей конструкции, чтобы закрывать отверстие углубления 111 слоя 11 электропроводящей конструкции. Пористый покрывающий слой 15 имеет множество сквозных отверстий, чтобы обеспечить прохождение ионов лития. Адгезионный слой 16 расположен между слоем 11 электропроводящей конструкции и пористым покрывающим слоем 15, чтобы склеить пористый покрывающий слой 15 со слоем 11 электропроводящей конструкции.

Жидкий и/или гелеобразный электролит введен в слой 14 хранения электролита. Материалом слоя 13 твердого электролита может быть любой из серии твердых электролитов, например, твердый электролит на основе оксида, твердый электролит на основе сульфида, твердый электролит из сплава лития и алюминия или твердый электролит из азида лития (LiN₃), который может быть кристаллическим или стекловидным. В данном изобретении слой 12 металлического лития и слой 14 хранения электролита разделены слоем 13 твердого электролита. Таким образом, уменьшают или предотвращают ненужный контакт жидкого или гелеобразного электролита, вводимого в слой 14 хранения электролита, и активного материала, слоя 12 металлического лития. Также сокращают или предотвращают ненужное потребление ионов лития, чтобы избежать ухудшения характеристик литиевых аккумуляторов. Таким образом, предпочтительно, чтобы слой 12 металлического лития был полностью покрыт слоем 13 твердого электролита. Боковые кромки слоя 13 твердого электролита упираются в боковые стенки углубления 111, чтобы уменьшить или предотвратить ненужный контакт жидкого или гелеобразного электролита, вводимого в слой 14 хранения электролита и слой 12 металлического лития.

Слой 12 металлического лития расположен в нижней части углубления 111. Таким образом, нижняя часть углубления 111 является электропроводящей областью 113. Когда литиевый электрод 10 собран в виде аккумулятора, электроэнергия, генерируемая во время электрохимической реакции, выводится из электропроводящей области 113. Необходимо, чтобы электропроводящая область 113 была оснащена электропроводящей дорожкой между внутренней и внешней частью аккумулятора. Слой 13 твердого электролита и слой 14 хранения электролита должны контактировать с электроизолирующей областью 112 углубления 111. Таким образом, боковые стенки углубления 111 являются электроизолирующей областью 112.

Кроме того, форма углубления 111 слоя 11 электропроводящей конструкции не ограничена. Как показано на ФИГ. 2, боковые стенки углубления 111 расположены вертикально, но не ограничены этим. За исключением вышеуказанных требований, необходимо учитывать, что слой 13 твердого электролита является подвижным, чтобы подавлять рост литиевых дендритов, которые могут только толкать слой 13 твердого электролита, чтобы сжимать слой 14 хранения электролита. Более подробное раскрытие данного изобретения представлено ниже. Таким образом, боковые стенки углубления 111 для размещения слоя 13 твердого электролита предпочтительно гладкие и равноудаленные.

Для слоя 11 электропроводящей конструкции предусмотрено два варианта осуществления, которые подробно раскрыты с учетом чертежей.

См. ФИГ. 3А, представляющую собой схематическое изображение первого варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции литиевого электрода согласно данному изобретению. В данном варианте осуществления электропроводящий элемент 101 является основным корпусом слоя 11 электропроводящей конструкции. Электроизолирующий элемент 102 расположен непосредственно на верхней поверхности электропроводящего элемента 101. Электроизолирующий элемент 102 имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие 102h. Части электропроводящего элемента 101 проступают из сквозного отверстия 102h. Таким образом, из вышеуказанного сформировано углубление 111 с отверстием с одной стороны. Нижняя часть 111b углубления 111 сформирована электропроводящим элементом 101, и будет определена как электропроводящая область 113. Боковая стенка 111w углубления 111 сформирована электроизолирующим элементом 102, и будет определена как электроизолирующая область 112. Литиевый электрод 10, образованный слоем 11 электропроводящей конструкции, согласно первому варианту осуществления показан на ФИГ. 3B. Нижняя часть 111b углубления 111 сформирована электропроводящим элементом 101. Таким образом, электропроводящая дорожка между внутренней и внешней частью аккумулятора может быть сформирована так, чтобы выводить генерируемую им электроэнергию. Это означает, что электропроводящий элемент 101 служит токосъемником литиевого электрода 10. Материал электропроводящего элемента 101 может быть металлом или любым другим электропроводящим материалом, таким как медь, никель, сталь или любые их комбинации.

Материал электроизолирующего элемента 102 может быть изолирующим полимерным материалом, изолирующим керамическим материалом, изолирующим стеклянным материалом, изолирующим стекловолокнистым материалом и любой их комбинацией. Изолирующий полимерный материал содержит полиимид, полиэтилентерефталат, полиуретан, полиакрилат, эпоксидную смолу или силикон. Изолирующий стекловолокнистый материал может иметь класс FR4, например, как эпоксидный стекловолокнистый материал FR4.

См. ФИГ. 4А и 4B, представляющие собой схематическое изображение второго варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции литиевого электрода согласно данному изобретению и схематическое изображение литиевого электрода на основе второго варианта осуществления слоя электропроводящей конструкции, показанной на ФИГ. 4А согласно данному изобретению, соответственно. Слой 11 электропроводящей конструкции согласно данному второму варианту осуществления также содержит электропроводящий элемент 101 и электроизолирующий элемент 102. В частности, электропроводящий элемент 101 имеет несквозное отверстие 101b для непосредственного формирования углубления 111. Электроизолирующий элемент 102 расположен на боковой стенке несквозного отверстия 101b, и будет определен, как электроизолирующая область 112. Нижняя часть несквозного отверстия 101b не покрыта электроизолирующим элементом 102 и определяется как электропроводящая область 113. Аналогично электропроводящий элемент 101 является основным корпусом слоя 11 электропроводящей конструкции. Непокрытая нижняя часть углубления 111 сформирована электропроводящим элементом 101. Таким образом, электропроводящая дорожка между внутренней и внешней частью аккумулятора может быть сформирована так, чтобы выводить электроэнергию, генерируемую аккумулятором, образованным литиевым электродом 10. Также электропроводящий элемент 101 можно рассматривать как токосъемник литиевого электрода 10.

На ФИГ. 1, 3B и 4B слой 14 хранения электролита контактирует и покрывает слой 13 твердого электролита. Когда слой 14 хранения электролита заполняет углубление 111, верхняя поверхность слоя 14 хранения электролита по существу выровнена с верхней поверхностью слоя 11 электропроводящей конструкции. Другими словами, оставшееся пространство заполнено слоем 14 хранения электролита. Слой 14 хранения электролита используется для введения жидкого и/или гелеобразного электролита. В данном изобретении слой 12 металлического лития и слой 14 хранения электролита разделены слоем 13 твердого электролита. Таким образом, уменьшают или предотвращают ненужный контакт жидкого или гелеобразного электролита, вводимого в слой 14 хранения электролита, и активного материала (т.е. слоя 12 металлического лития). Также сокращают или предотвращают ненужное потребление ионов лития, чтобы избежать ухудшения характеристик литиевых аккумуляторов.

Слой 14 хранения электролита является пористым для введения жидкого и/или гелеобразного электролита. Материал слоя 14 хранения электролита может быть полимерным материалом, керамическим материалом, стеклянным материалом, волоконным материалом и любыми их комбинациями. Пористая конструкция слоя 14 хранения электролита формируется накопленными частицами и/или спутанными волокнами. Частицы содержат керамические частицы, полимерные частицы и/или стеклянные частицы. Волокна содержат полимерные волокна и/или стеклянные волокна.

Пористый покрывающий слой 15 приклеен к слою 11 электропроводящей конструкции, чтобы закрывать отверстие углубления 111. Пористый покрывающий слой 15 имеет множество сквозных отверстий, чтобы обеспечить прохождение ионов лития и электролита для электрохимических реакций. Сквозные отверстия могут быть линейными или нелинейными (муравьиные отверстия) и сформированы за счет химических или механических процессов. Кроме того, пористый покрывающий слой 15 может быть изготовлен из пористых материалов для обеспечения сквозных отверстий.

Кроме того, см. ФИГ. 5, на которой адгезионный слой 16, расположенный между слоем 11 электропроводящей конструкции и пористым покрывающим слоем 15, и электроизолирующий элемент 102 встроены в рамку 21 из электроизолирующего клея. Как показано на чертеже, рамка 21 из электроизолирующего клея сформирована между пористым покрывающим слоем 15 и электропроводящим элементом 101. Рамка 21 из электроизолирующего клея, расположенная на боковых стенках углубления 111, используется для электроизолирующего элемента 102 для определения в качестве электроизолирующей области 112. Рамка 21 из электроизолирующего клея, расположенная между слоем 11 электропроводящей конструкции и пористым покрывающим слоем 15, используется для склеивания слоя 11 электропроводящей конструкции и пористого покрывающего слоя 15. Материал рамки 21 из электроизолирующего клея выбирают из группы, состоящей из термоотверждающегося полимера, термопластичного полимера и любых их комбинаций. Термоотверждающийся полимер выбирают из группы, состоящей из силикона, эпоксидной смолы, смолы акриловой кислоты и любых их комбинаций, а термопластичный полимер выбирают из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, термопластичного полиимида, термопластичного полиуретана и любых их комбинаций. Благодаря использованию жидкого или гелеобразного электролита материал рамки 21 из электроизолирующего клея предпочтительно выбирают среди инертных к электролитам материалов, таких как силикон, полиэтилен, полипропилен, термопластичный полиимид и т.д. Таким образом, рамка 21 из электроизолирующего клея не будет реагировать с электролитом для поддержания адгезионной способности.

Также для варианта осуществления, показанного на ФИГ. 3B, адгезионный слой 16 и электроизолирующий элемент 102 могут быть встроены в рамку 21 из электроизолирующего клея. Рамка 21 из электроизолирующего клея используется для электроизолирующего элемента 102 углубления 111 и используется для склеивания слоя 11 электропроводящей конструкции и пористого покрывающего слоя 15. Кроме того, за исключением однослойной конструкции, показанной на чертежах, рамка 21 из электроизолирующего клея может быть многослойной конструкцией. С модификацией адгезионного материала склеивание будет лучше.

В целом, когда накладывают металлический литий, литиевые дендриты будут расти вертикально. При размещении данного изобретения рост литиевых дендритов ограничивают слоем 13 твердого электролита. Вертикальный рост литиевых дендритов будет толкать слой 13 твердого электролита. Слой 13 твердого электролита подвижно расположен в углублении 111. Таким образом, слой 13 твердого электролита толкают в сторону слоя 14 хранения электролита. Так как пористый покрывающий слой 15 крепко приклеен к слою 11 электропроводящей конструкции, диапазон перемещения слоя 13 твердого электролита ограничен. Слой 14 хранения электролита является пористым для хранения жидкого и/или гелеобразного электролита. Также слой 14 хранения электролита поддается сжатию. Когда слой 14 хранения электролита сжимается слоем 13 твердого электролита, слой 14 хранения электролита будет деформирован для выдавливания частей жидкого и/или гелеобразного электролита, введенного в него. Также ограничена сжимаемость слоя 14 хранения электролита. С увеличением степени сжатия сила сопротивления сжатию слоя 14 хранения электролита будет становиться больше, чтобы препятствовать вертикальному росту литиевых дендритов. Стимулируется рост литиевых дендритов в горизонтальном направлении. Сквозное проникновение для электроизолятора, т.е. разделителя, вызванное литиевыми дендритами, может быть устранено для предотвращения внутреннего короткого замыкания. При удалении металлического лития слой 13 твердого электролита будет двигаться обратно в начальное положение, и слой 14 хранения электролита восстановится до исходного состояния. Выдавленный жидкий и/или гелеобразный электролит будет течь обратно, чтобы быть введенным в слой 14 хранения электролита.

Другие иллюстрации материалов для слоя 13 твердого электролита раскрыты ниже. Твердый электролит на основе сульфида может быть выбран из одной или нескольких групп, состоящих из стеклообразного состояния Li₂S-P₂S₅, кристаллического состояния Li_x’M_y’PS_z’ и стеклообразного керамического состояния Li₂S-P₂S₅.

где M выбирают из одной или нескольких групп, состоящих из Si, Ge и Sn;

Предпочтительно, чтобы стеклообразное состояние Li₂S-P₂S₅ было выбрано из одной или нескольких групп, состоящих из стеклообразного состояния 70Li₂S-30P₂S₅, стеклообразного состояния 75Li₂S-25P₂S₅ и стеклообразного состояния 80Li₂S-20P₂S₅. Стеклообразное керамическое состояние Li₂S-P₂S₅ было выбрано из одной или нескольких групп, состоящих из стеклообразного керамического состояния 70Li₂S-30P₂S₅, стеклообразного керамического состояния 75Li₂S-25P₂S₅ и стеклообразного керамического состояния 80Li₂S-20P₂S₅. Кристаллическое состояние Li_x’M_y’PS_z’ может быть выбрано из одной или нескольких групп, состоящих из Li₃PS₄, Li₄SnS₄, Li₄GeS₄, Li₁₀SnP₂S_12, Li₁₀GeP₄S₁₂, Li₁₀SiP₂S₁₂, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₇P₃S₁₁, L_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, β-Li₃PS₄, Li₇P₂SI, Li₇P₃S₁₁, 0,4LiI-0,6Li₄SnS₄ и Li₆PS₅Cl.

Твердый электролит на основе оксида может быть твердым электролитом на основе оксида со структурой флюорита. Например, это может быть стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (YSZ) с молярной долей 3-10%. Твердый электролит на основе оксида может быть твердым электролитом на основе оксида ABO₃, например, легированный LaGaO₃. Или твердый электролит на основе оксида может быть Li_1+x+y(Al, Ga)_x (Ti, Ge)_2-xSi_yP_3-yO₁₂ с кристаллической структурой, где и . Кроме того, твердый электролит на основе оксида может быть Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅-TiO₂, Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅-TiO₂-GeO₂, Na_3,3Zr_1,7La_0,3Si₃PO₁₂, Li_3,5Si_0,5P_0,5O₄, Li_3xLa_2/3xTiO₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li_0,38La_0,56Ti_0,99Al_0,01O₃ или Li_0,34LaTiO_2,94.

Боковые стенки углубления 111 для расположения слоя 13 твердого электролита слоя 11 электропроводящей конструкции гладкие и равноудаленные. Таким образом, слой 13 твердого электролита будет плавно двигаться вниз и вверх во время наложения и удаления металлического лития.

При адаптации для аккумуляторной системы согласно ФИГ. 6А слой 11 электропроводящей системы литиевого электрода 10 содержит множество углублений 111. Пористый покрывающий слой 15 служит разделителем. Слой 31 положительного активного материала и положительный токосъемник 32 расположены на нем последовательно. Рамки 21 из электроизолирующего клея прилегающих углублений 111 соединены, и рамки 21 из электроизолирующего клея в боковых кромках приклеены при помощи первого адгезионного слоя 22 и второго адгезионного слоя 23 к положительному токосъемнику 32 для формирования корпуса для аккумуляторной системы. Материалы первого адгезионного слоя 22 и второго адгезионного слоя 23 могут совпадать с материалом рамок 21 из электроизолирующего клея. Также углубление 111 на ФИГ. 6А показано только как несквозное отверстие, как показано на ФИГ. 4B. Тем не менее, исполнение углубления 111 не ограничено только несквозным отверстием. Также может быть использован слой 11 электропроводящей конструкции, показанный на ФИГ. 3А, или его комбинации. Кроме того, размер, расположение, расстояние или распределение углубления 111 может изменяться.

Согласно ФИГ. 6B одно или несколько углублений 111, особенно расположенных в средней части или в любых местах, где плохая адгезия, могут иметь отдельную адгезионную конструкцию для улучшения склеивания. Отдельная рамка 21 из электроизолирующего клея также склеена при помощи первого адгезионного слоя 22 и второго адгезионного слоя 23 с положительным токосъемником 32 для формирования корпуса для аккумуляторной системы. Как показано на ФИГ. 6B, все рамки 21 из электроизолирующего клея углублений 111 разделены, и отдельные первые адгезионные слои 22 и отдельные вторые адгезионные слои 23 приклеены к положительному токосъемнику 32 для значительного улучшения их склеивания.

Соответственно, данное изобретение предлагает литиевый электрод. При наложении металлического лития рост литиевых дендритов ограничивается слоем твердого электролита, толкая слой твердого электролита для сжатия слоя хранения электролита. Слой хранения электролита будет деформирован для выдавливания частей жидкого и/или гелеобразного электролита, введенного в него. С увеличением степени сжатия сила сопротивления сжатию слоя хранения электролита будет становиться больше, чтобы препятствовать вертикальному росту литиевых дендритов и принуждать литиевые дендриты расти в горизонтальном направлении. Сквозное проникновение для электроизолятора, т.е. разделителя, вызванное литиевыми дендритами, может быть устранено для предотвращения внутреннего короткого замыкания, чтобы значительно повысить безопасность литиевых аккумуляторов. При удалении металлического лития слой твердого электролита будет двигаться обратно в начальное положение, и слой хранения электролита восстановится до исходного состояния. Выдавленный жидкий и/или гелеобразный электролит будет течь обратно, чтобы быть введенным в слой хранения электролита. Кроме того, слой металлического лития и жидкий и/или гелеобразный электролит, введенный в слой хранения электролита, разделены слоем твердого электролита. Жидкий или гелеобразный электролит, введенный в слой хранения электролита, не контактирует с отрицательным активным материалом, слоем металлического лития, чтобы предотвратить распад или ухудшение состояния жидкого или гелеобразного электролита и снизить необратимые потери емкости.

Очевидно, что данное изобретение, раскрытое таким образом, может быть изменено различными способами. Такие изменения не должны считаться отступлением от сущности и объема настоящего изобретения, и все подобные модификации, очевидные специалисту в данной области техники, входят в объем следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к электроду, в частности к литиевому электроду, применяемому для литий-ионных вторичных аккумуляторов. Слой электропроводящей конструкции имеет углубление с отверстием с одной стороны, и слой металлического лития расположен в нижней части углубления. Слой твердого электролита и слой хранения электролита последовательно расположены на нем. При наложении металлического лития наложенный металлический литий ограничивается слоем твердого электролита, чтобы толкать и сжимать слой хранения электролита. Техническим результатом является эффективное ограничение роста литиевых дендритов, повышение безопасности аккумулятора. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Литиевый электрод, содержащий:

слой электропроводящей конструкции, имеющий по меньшей мере одно углубление с отверстием с одной стороны, и внутреннюю поверхность углубления, имеющую по меньшей мере одну электропроводящую область и по меньшей мере одну электроизолирующую область;

слой металлического лития, расположенный в углублении слоя электропроводящей конструкции и контактирующий с электропроводящей областью;

слой твердого электролита, подвижно расположенный в углублении слоя электропроводящей конструкции и покрывающий и контактирующий со слоем металлического лития;

слой хранения электролита, расположенный в углублении слоя электропроводящей конструкции и покрывающий слой твердого электролита, при этом слой хранения электролита содержит жидкий или гелеобразный электролит; и

пористый покрывающий слой, расположенный на слое электропроводящей конструкции и имеющий множество сквозных отверстий, обеспечивающих прохождение ионов лития и электролита.

2. Литиевый электрод по п. 1, в котором адгезионный слой расположен между слоем электропроводящей конструкции и пористым покрывающим слоем, чтобы склеить пористый покрывающий слой со слоем электропроводящей конструкции.

3. Литиевый электрод по п. 1, в котором слой электропроводящей конструкции содержит:

электропроводящий элемент; и

электроизолирующий элемент, имеющий сквозное отверстие и расположенный на электропроводящем элементе для формирования углубления, в котором боковая стенка углубления определена как электроизолирующая область и нижняя часть углубления определена как электропроводящая область.

4. Литиевый электрод по п. 3, в котором электропроводящий элемент служит в качестве токосъемника литиевого электрода.

5. Литиевый электрод по п. 1, в котором слой электропроводящей конструкции содержит:

электропроводящий элемент, имеющий по меньшей мере одно несквозное отверстие для образования углубления; и

электроизолирующий элемент, расположенный на боковой стенке несквозного отверстия, которая должна быть определена как электроизолирующая область,

в котором нижняя часть несквозного отверстия не покрыта и определена как электропроводящая область.

6. Литиевый электрод по п. 5, в котором электропроводящий элемент служит в качестве токосъемника литиевого электрода.

7. Литиевый электрод по п. 5, в котором адгезионный слой расположен между слоем электропроводящей конструкции и пористым покрывающим слоем, чтобы склеить пористый покрывающий слой со слоем электропроводящей конструкции, и адгезионный слой и электроизолирующий элемент встроены в рамку из электроизолирующего клея.

8. Литиевый электрод по п. 1, в котором боковые части слоя твердого электролита и слоя хранения электролита контактируют с электроизолирующей областью.

9. Литиевый электрод по п. 1, в котором диаметры сквозных отверстий пористого покрывающего слоя не превышают 1 мкм.

10. Литиевый электрод по п. 1, в котором диаметр отверстия углубления составляет не менее 50 мкм.

11. Литиевый электрод по п. 1, в котором глубина углубления составляет от 15 до 40 мкм.