[發明專利]鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池

有效

• 申請號: 201710942838.6
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107946541B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 楊思枬
• 申請（專利權）人: 輝能科技股份有限公司;輝能控股股份有限公司
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M10/0525
• 代理公司: 北京中原華和知識產權代理有限責任公司 11019
• 代理人: 壽寧;張華輝

本發明提供一種鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池，所述的鋰金屬極板包括集電層、鋰金屬層、絕緣框體、多孔電性絕緣層及離子擴散層；集電層具有井結構，其底表面設置有鋰金屬層，而絕緣框體形成于井結構的開口邊緣并向下延伸以完全遮蔽井結構的內側表面且緊鄰鋰金屬層的頂表面，以使井結構的內側表面不會外露，因此鋰金屬析出時，會限制在井結構內且不會大量生長在井結構的內側表面，以避免鋰金屬在集電層上大量地生長，且同時可以限制鋰金屬生長的范圍與方向，避免鋰突觸不斷向上生長而發生穿刺的情形，以提高鋰金屬電池的安全性。

技術領域

本發明涉及一種鋰電池的極板，特別是指一種鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池。

背景技術

現有以鋰為活性材料的電池系統具有工作電壓高（3.6 V）、能量密度大（120 Wh/kg）、重量輕、壽命長及環保性佳等優點，在以鋰為活性材料的電池系統中，充電式金屬鋰電池是最早發展的鋰電池系統，雖然具有很高的能量密度，但由于金屬鋰的化學性很強、易與電解質反應，造成金屬鋰電池有不穩定和安全性的問題。基于安全性的考慮，近年來，多改以研發較為新型的充電式鋰高分子電池，其以高分子電解質取代原本有機溶劑以作為電池內的電解液，大大提高了鋰電池在使用上的安全性。

對于電池系統而言，除了過去對于安全性的高度要求外，為了提供電子產品能具有更長的操作時間，電池系統的使用壽命又再次成為電池系統研發的重要議題，故許多電池系統的研究方向，由追求電池系統的安全性轉向電池系統的壽命。而由過去以鋰電池系統的發展進程來說，雖然金屬鋰電池系統在過去因為安全性的因素而被中斷，但不可否認的是，由于金屬鋰電池系統的活性材料直接采用金屬鋰，故與其他離子鋰電池系統或鋰高分子電池系統相較，金屬鋰電池系統所提供的能量密度大于這些鋰化合物的電池系統。

但是，金屬鋰為一種非常活潑的金屬，若非在適當的儲存環境或是良好的操作環境下，金屬鋰本身相當容易發生激烈的氧化還原反應。也因此，在實際的應用上，金屬鋰電池若能有效地克服其使用時的安全性疑慮并降低其在工藝或儲存時的困難性，其實是非常符合現行可攜式的智能型電子產品的需求。

有鑒于上述，本發明遂針對上述現有技術的缺點，提出一種鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池，以有效克服上述的這些問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池，借由具有井結構的集電層，以使鋰金屬電池中的鋰金屬電池中的鋰金屬可在特定的區域中析出。

本發明的目的在于提供一種鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池，借由一多孔電性絕緣層以使鋰金屬電池中在充電下所形成的鋰金屬樹枝狀結晶，被限制在特定高度下生長，同時由于因為多孔電性絕緣層的機械應力存在關系，進而限制垂直生長高度，迫使鋰金屬樹枝狀結晶往水平方向成長，使得井結構內部的空間可被沉積的鋰金屬相當程度的利用，而不會發生鋰金屬樹枝狀結晶刺穿電性絕緣層，借以避免內部短路的問題，同時也因機械應力的限制，也可避免因鋰金屬樹枝狀結晶往垂直方向持續增長，而將明顯增加了電池的厚度。

本發明的目的在于提供一種鋰金屬極板及其應用的鋰金屬電池，借由在集電層的井結構內設置有離子擴散層，離子擴散層內有顆粒狀結構或纖維狀結構材料與孔洞分布，其中，鋰金屬電池中的鋰金屬可以在離子擴散層的孔洞內進行沉積與溶解，同時沉積過程中鋰金屬還可以依附于離子擴散層的顆粒狀結構或纖維狀結構形成保護鋰金屬表面的固態電解質界面(SEI)，由于鋰金屬沉積與溶解的尺寸變化（15~20um）相對于固態電解質界面的厚度(10~50nm)差別太大，若無支撐則每次沉積與溶解都會相當的破壞固態電解質界面，而破壞固態電解質界面則需要損耗可逆容量（鋰離子濃度），因此本發明設計離子擴散層內的顆粒狀結構或纖維狀結構材料成為支撐固態電解質界面在鋰金屬沉積與溶解的結構材料，或是更甚者，部分顆粒狀或纖維結構材料直接參與此固態電解質界面的形成，進而支撐固態電解質界面，并使鋰金屬沉積(plating)與溶解(striping)過程減少持續生成固態電解質界面進而減少可逆容量的損失。