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CN107210412A - 电池分隔件上的锂金属涂层 - Google Patents

电池分隔件上的锂金属涂层 Download PDF

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CN107210412A
CN107210412A CN201680003765.8A CN201680003765A CN107210412A CN 107210412 A CN107210412 A CN 107210412A CN 201680003765 A CN201680003765 A CN 201680003765A CN 107210412 A CN107210412 A CN 107210412A
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苏布拉曼亚·P·赫尔勒
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Applied Materials Inc
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Abstract

锂离子电池可包含正电极、负电极以及涂覆有锂金属薄膜的分隔件，所述锂的厚度小于或等于足以补偿在电池的第一循环期间锂的不可逆损失的厚度。此外，在分隔件上可存在介于分隔件与锂金属薄膜之间的陶瓷层。此外，在陶瓷层与锂金属薄膜之间可存在阻挡层，其中所述阻挡层阻止锂枝状晶体(Lidendrite)的形成。此外，所述分隔件可具有孔隙，这些孔隙可填充有下列物质中的一种或多种：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂以及锂离子传导陶瓷材料。还描述了用于制造此类电池分隔件以及用于制造基于锂金属的电池的部件的方法及设备。

Description

电池分隔件上的锂金属涂层
相关申请案的交互参考
本申请案主张在2015年1月9日提出申请的美国临时申请案第62/101,794号的权益。
技术领域
本公开内容的实施方式大体涉及锂电池，制造锂电池的方法，以及用于制造锂电池的设备。
背景技术
锂电池通常在第一操作循环期间遭受不可逆的锂损失。存在对可容易地适应这种锂损失的改良的锂电池设计、制造这些改良电池的方法，以及用于制造这些改良电池的设备的需要。
发明内容
本公开内容描述了用于锂电池的锂金属涂覆分隔件，用于制造所述锂金属涂覆分隔件的方法，以及用于制造所述锂金属涂覆分隔件的设备。
根据一些实施方式，锂离子电池可包含：正电极；负电极；以及位于正电极与负电极之间的分隔件，所述分隔件涂覆有锂金属薄膜，所述锂金属薄膜具有小于或等于足以补偿在锂离子电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失的厚度。
根据一些实施方式，制造电池分隔件的方法可包含：在分隔件膜上沉积锂金属薄膜，其中锂金属薄膜厚度为至少1微米，并且其中所述沉积不填充分隔件膜的孔隙。
根据一些实施方式，制造锂金属涂覆电池分隔件的装置可包含：卷轴至卷轴系统，用于传送连续的分隔件膜通过一个或多个模块；以及第一模块，用于在分隔件膜上沉积锂金属薄膜，第一模块经配置用于通过从以下工艺组成的群组中选择的工艺来沉积锂金属薄膜：物理气相沉积、电子束蒸发、薄膜转移以及狭缝式挤压沉积(slot die deposition)，并且其中第一模块进一步经配置用于在不填充分隔件膜的孔隙的情况下沉积锂金属薄膜。
附图说明
在结合附图阅读本发明的特定实施方式的以下描述之后，本公开内容的这些及其他构思和特征对熟悉本领域的一般技术人员而言将变得显而易见，在这些附图中：
图1是根据一些实施方式的锂离子电池的第一实例的横截面表示；
图2是根据一些实施方式的用于锂离子电池的经涂覆的分隔件的横截面表示；
图3是根据一些实施方式的用于形成涂覆有锂金属的分隔件的第一卷筒工具(webtool)；
图4是根据一些实施方式的用于形成涂覆有锂金属的分隔件的第二卷筒工具；以及
图5是根据一些实施方式的用于形成涂覆有锂金属的分隔件的第三卷筒工具。
具体实施方式
现将参照附图详细描述本公开内容的实施方式，这些实施方式提供作为本公开内容的说明性实例，以便熟悉本领域的一般技术人员能够实践本公开内容。应注意，以下附图和实例并不意欲将本公开内容的范围限制为单一实施方式，而是经由互换所描述或图示的元素中的一些或所有，其他实施方式也是可能的。此外，其中本公开内容的某些元素可以使用已知元件部分或完全地实施，将仅描述此类已知元件中用于理解本公开内容所必需的部分，并且将省去对此类已知元件的其他部分的详细描述，以免模糊本公开内容。在本公开内容中，图示为单一元件的实施方式不应被视为限制，相反地，本公开内容意图包括包含多个相同元件的其他实施方式，并且反之亦然，除非本文以其他方式明确说明。此外，并不意欲将本公开内容中的任何术语归于罕见的或特定的含义，除非文中明确地阐述为罕见的或特定的含义。此外，本公开内容涵盖在本文以举例方式提到的所述已知元件的现在和将来的已知的等效物。
根据一些实施方式，锂电池可包含正电极、负电极，以及涂覆有锂金属薄膜的分隔件。此外，所述锂金属薄膜可恰好足以补偿在电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失，所述锂金属薄膜在一些实施方式中可为厚度为1至5微米的锂金属薄膜。在一些实施方式中，为了降低电池短路的可能性，锂金属薄膜应当小于或等于补偿不可逆损失所需的锂量，以使得在锂电池的形成循环期间所有的锂金属薄膜将从分隔件移除到负电极。此外，在分隔件上介于分隔件与锂金属薄膜之间可存在陶瓷层。此外，在陶瓷层与锂金属薄膜之间可存在阻挡层，其中所述阻挡层是由诸如以下的材料形成的：铝及锆的氧化物以及氮氧化物，铝/硅的氮化物、铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂、锆酸镧锂等。所述阻挡层可起到阻止锂金属枝状晶体(lithium metal dendrite)的形成,和/或帮助增大分隔件的离子电导率的作用。此外，所述分隔件可具有孔隙并且分隔件中的这些孔隙可用锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂，或者锂离子传导陶瓷材料(其中陶瓷材料在与锂金属薄膜界面处为连续的)填充。
图1图示根据一些实施方式，具有经涂覆的分隔件的示例性锂离子电池结构。电池单元100具有正集电器110、正电极120、经涂覆的分隔件130、负电极140，以及负集电器150。应注意的是，在图1中，集电器表示为延伸超出堆叠，但是集电器并非必须延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作接头(tab)。分别在正电极和负电极上的集电器110、150可为相同或不同的电子导体。用于集电器的示例性材料为铜、铝、碳、镍、金属合金等。此外，集电器可为任何形状因数(form factor)、形状以及微观/宏观结构。通常，在方形电池单元中，接头是用与集电器相同的材料形成的，并且可在堆叠制造期间形成或者在之后添加。除集电器110与150之外的所有元件含有锂离子电解质。
举例来说，在本公开内容的锂离子电池单元的一些实施方式中，锂在负电极处包含在碳石墨的晶体结构的原子层(LiC6)中，并且在正电极处包含在锂锰氧化物(LiMnO4)或者锂钴氧化物(LiCoO2)中，但是在一些实施方式中，负电极也可包括锂吸收材料(诸如硅、锡等)。所述电池单元尽管在图中表示为平面结构，但是也可通过将层的堆叠卷起而形成为圆柱体；此外，可形成其他电池单元构造。
灌注在电池单元元件120、130以及140中的电解质可由液体/凝胶或者固体聚合物组成并且可各自不同。
图2更详细地图示经涂覆的分隔件130的实施方式。经涂覆的分隔件130包含：具有孔隙132的分隔件膜131；分隔件膜上的陶瓷涂层133；在陶瓷涂层与锂金属薄膜135之间的阻挡层134；以及防护涂层136。在各实施方式中，分隔件通常为由聚烯烃制成的厚度大约为25微米的多孔结构。适用于本公开内容的一些实施方式的可商购的分隔件包括例如：由Polypore公司(Celgard)、东燃化学公司(Toray Tonen)(电池分隔件膜(Batteryseparator film；BSF))、鲜京能源公司(SK Energy)(锂离子电池分隔件(lithium ionbattery separator；LiBS))、赢创工业股份有限公司(Evonik industries)(SEPARION)、旭化成株式会社(Asahi Kasei)(Hipore)、杜邦公司(DuPont)(Energain)等生产的多孔聚合分隔件。阻挡层可由诸如铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂等的材料形成。此外，在一些实施方式中，分隔件中的孔隙可用可溶于液体电解质中的粘合剂(诸如，混合的碳酸盐电解质等)或者锂离子传导聚合物(诸如PEO(聚环氧乙烷)、嵌段共聚物)等填充；孔隙的这种填充可有助于避免在某些锂金属沉积方法期间将锂金属沉积到孔隙中。在一些实施方式中，锂沉积在分隔件的面向负(锂)电极的一侧上。
在一些实施方式中，经涂覆的分隔件可包含锂金属薄膜和以下内容中的一种或多种：陶瓷涂层、阻挡层、防护涂层以及分隔件的孔隙，所述分隔件的孔隙填充有从以下材料组成的群组中选择的一种或多种材料：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂，以及锂离子传导陶瓷材料。
根据一些实施方式，图2的分隔件可利用以下工艺与设备来制造。用于制造根据本公开内容的分隔件的卷筒工具(web tool)的不同构造示意地图示于图3至图5中——应当指出的是，这些构造为示意性表示的，并且应理解卷筒系统及模块的构造可按需要而改变以控制制造工艺的不同步骤。
电池分隔件可使用如本文所描述的本公开内容的方法来制造。根据一些实施方式，制造电池分隔件的方法可包含：在分隔件膜上沉积锂金属薄膜；其中可使用PVD(诸如蒸发、转移工艺或者狭缝式挤压工艺)沉积锂金属薄膜，，并且其中锂金属在沉积期间不填充分隔件膜的孔隙。此外，在沉积锂金属薄膜之前，可将陶瓷层沉积在分隔件膜上，其中锂金属薄膜沉积在所述陶瓷层上。此外，在各实施方式中，在沉积锂金属薄膜之前，可沉积锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂和/或锂离子传导陶瓷材料来填充分隔件膜中的孔隙。此外，在各实施方式中，阻挡层可沉积在陶瓷层与锂金属薄膜之间，其中阻挡层可由诸如铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂、锂离子传导硫化物等的材料形成。此外，锂金属膜可涂覆有保护层，诸如碳酸锂或者氟化锂，以用于保护锂金属不被环境氧化剂氧化。
锂金属涂覆分隔件可使用如本文所描述的本公开内容的工具来制造。根据一些实施方式，用于形成涂覆有锂金属的分隔件的卷筒工具可包含：卷轴至卷轴(reel to reel)系统，用于使分隔件通过以下模块：用于在分隔件上沉积锂金属薄膜的模块；其中用于沉积锂金属薄膜的模块可包括PVD系统，诸如电子束蒸发器、薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)或者狭缝式挤压沉积系统。在一些实施方式中，所述工具可进一步包含用于在锂金属薄膜的表面上形成防护涂层的模块。在一些实施方式中，所述工具可进一步包含用于在沉积锂金属薄膜之前在分隔件上沉积陶瓷层的模块，其中锂金属沉积在陶瓷层的表面上。在一些实施方式中，所述工具可进一步包含用于在锂金属沉积到陶瓷层的表面上之前在陶瓷层上沉积阻挡层的模块。在一些实施方式中，所述工具可进一步包含用于将锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂或者锂离子传导陶瓷材料沉积到分隔件的孔隙中的模块。此外，根据一些实施方式，用于将锂金属薄膜转移至分隔件膜的工具可包含涂覆有抗蚀层的滚筒(drum)，所述抗蚀层的材料为诸如ZrO2、YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)、LLZO或者其他固体电解质、硅与钨的金属间碳化物或者氮化物、等。
在图3中，卷筒工具300可包含：卷轴312及314，这些卷轴用于移动连续的分隔件材料片材310通过以下不同的处理模块：用于在分隔件的表面上沉积陶瓷层的模块320；用于在陶瓷层的顶部上沉积阻挡层的模块330；用于在陶瓷层/阻挡层的表面上沉积锂金属薄膜的模块340；以及用于在锂金属层的暴露表面上形成防护涂层的模块350。区域360指示了卷筒工具中可能需要处于受控环境下以避免氧化锂金属薄膜的部分——例如在一些实施方式中提供不含氧化剂(如水及氧气)的环境、氮气环境；此外，若不应用防护涂层，则涂覆有锂金属的分隔件将需要维持在非氧化环境中，直至分隔件整合至锂离子电池单元中。在一些实施方式中，如图所示，完成的分隔件将不会聚集在卷轴314上，而是可直接前进以用于与正电极及负电极等整合在一起以形成电池单元。
锂金属沉积模块340表示为包含物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)源342，所述源342可为例如真空环境中的锂金属电子束蒸发器(冷的)。应注意的是，锂金属膜可以沉积在与电池单元中使用的电池单元分隔件的大小相对应的片材中，以使得在分隔件的将被切割的区域上不存在锂金属，由此避免当组装时锂金属的脏污(smearing)以及电池单元的潜在短路。
此外，在一些实施方式中，模块330可提供电解液可溶性粘合剂的沉积用于填充隔离件的孔隙，以便避免锂金属在沉积期间在孔隙中堆积，或者在各实施方式中，模块330可提供锂离子传导聚合物的沉积用于填充分隔件的孔隙。
在图4中，卷筒工具400表示为具有锂金属沉积模块440，锂金属沉积模块440包含锂金属源442，诸如锂金属锭料电子束蒸发系统(冷的)，用于将锂金属薄膜444沉积到转移滚筒446上；以及滚筒448，所述滚筒448与滚筒446一起经配置以使得能够将锂金属薄膜从转移滚筒446转移到分隔件310。锂金属源442的另一实例为锂金属片材或者线材，所述锂金属片材或者线材的边缘或者末端被不断地引入至平板的表面上，所述平板被加热到足以蒸发锂金属的温度。应注意的是，如果需要引发锂金属薄膜从转移滚筒446到分隔件310的转移，或者是以其他方式转移，滚筒448可经调节(如图4中的垂直双向箭头所指示的那样)以改变在滚筒446与滚筒448之间的“捏(pinch)”量。应注意的是，锂金属膜444可经调整尺寸以与在电池单元中所使用的电池单元分隔件的大小相对应，使得在分隔件的将被切割的区域上不存在锂金属，由此避免当组装时锂金属的脏污以及电池单元的潜在短路。在一些实施方式中，转移滚筒涂覆有锂相容材料层，所述锂相容材料为诸如石榴石(例如，LixLa3Zr2O12，其中x≦7(LLZO))，或者固体电解质与其他材料(例如，ZrO2、YSZ、Li3BO3玻璃等)的组合物。应注意的是，当滚筒是用当长时间暴露在环境中时会被锂金属腐蚀的金属(诸如，不锈钢)制成时，可需要滚筒的此类涂层。可使用热喷涂布、PVD工艺来将此类涂层应用至滚筒，诸如从由固体电解质材料制成的靶材(或者从经调整组合物以提供具有所需组合物的沉积膜的靶材)进行的溅射沉积。
在图5中，卷筒工具500表示为具有锂金属沉积模块540，所述锂金属沉积模块540包含狭缝式挤压锂金属源542；以及滚筒544，所述滚筒544与所述狭缝式挤压锂金属源的头端一起经配置以提供锂金属膜的沉积。在各实施方式中，替代狭缝式挤压锂金属源的是具有大容量液态金属储集容器(reservoir)的液态锂输送系统，锂金属源542可为锂金属锭料，所述锂金属锭料的顶层经熔融以制成液膜。此外，可改变锂金属锭料相对于涂布滚筒的取向。应注意的是，锂金属膜可以沉积在与电池单元中所使用的电池单元分隔件的大小相对应的片材中，使得在分隔件的将被切割的区域上不存在锂金属，由此避免当组装时锂金属的脏污以及电池单元的潜在短路。分隔件的陶瓷涂层有助于热管理——从而当暴露于熔融锂的温度时，克服与一些分隔件(诸如聚烯烃分隔件)相关的收缩问题。此外，可按需要改变卷筒工具的精确构造以及狭缝式挤压锂源542和滚筒544的取向，以控制锂金属沉积到分隔件上。
此外，在一些实施方式中，锂金属沉积系统可为丝网(screen)打印机。
在一些实施方式中，陶瓷涂层可有效地消除由于分隔件(如聚烯烃分隔件)的热收缩以及相关撕裂所导致的电池单元故障。模块320中的陶瓷涂覆可如下进行。在一些实施方式中，可使用从水性介质逐层涂覆带有相反电荷的纳米/微米尺寸粒子以在分隔件(如多孔聚烯烃分隔件)上形成陶瓷涂层。在第一步骤中，准备带有相反电荷的粒子的两种悬浮液或者乳液。陶瓷粒子可为绝缘氧化物，诸如Al2O3、SiO2、AlOxNy、AlN(在氮气环境中沉积的铝)、ZrO2等，或者为离子传导陶瓷，诸如(Li,La)TiO3、Li-La-Zr-O、硫化物基电解质等。在一些实施方式中，这些粒子为纳米大小的，但是在各实施方式中可为微米大小的。这些粒子可为致密或者中空的。可在一些实施方式中使用的可商购的陶瓷粒子的示例为Al2O3、SiO2以及MgO。可通过以下方式向粒子施加电荷：通过控制溶液的组成或者pH，或者通过使充电聚电解质(charger polyelectrolyte)结合至粒子，充电聚电解质与粒子的结合是通过吸附或者反应性化学键合(嫁接(grafting))实现的。聚电解质是聚合物,所述聚合物的重复单元携带有可离子化的基团。这些基团将在某些溶液(例如，水)中解离(dissociate)，从而使得聚合物带有电荷。聚电解质的性质因此类似于电解质(盐类)与聚合物(高分子化合物)两者，并且有时被称作聚合盐。工业用聚电解质中的一些是：聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚(烯丙胺)-Nafion/聚(丙烯酸)、直链N,N-十二烷基、甲基-聚(伸乙亚胺)/聚(丙烯酸)、聚(伸乙亚胺)、聚(苯乙烯磺酸盐)、聚(烯丙胺盐酸盐)、聚(丙烯胺/聚(丙烯酸)、聚(丙烯酸)/聚环氧乙烷-嵌段-聚己内酯。当解离时带负电荷的聚电解质的实例是聚(苯乙烯磺酸钠)(poly(sodium styrene sulfonate)；PSS)和聚丙烯酸(polyacrylic acid；PAA)。PSS和PAA两者均是当解离时带负电荷的聚电解质。PSS是“强”聚电解质(在溶液中全带电荷)，而PAA是“弱”聚电解质(部分带电荷的)。带正电荷的聚合物的实例是聚乙烯亚胺、聚赖胺酸(polylysense)、聚烯丙胺盐酸盐等。聚电解质在固体基板上的吸附是一种表面现象，其中具有带电基团的长链聚合物分子结合至带相反极性电荷的表面。此外，若分隔件不是固有带电荷的，则可能需要准备分隔件。在一些实施方式中，此准备可包括使分隔件暴露于电晕(corona)，化学处理所述分隔件(例如，用氧化剂化学处理)，或者将聚电解质吸附或嫁接到分隔件的表面。具有带电荷的分隔件可为所需的，以使第一层带相反电荷的粒子结合至所述分隔件。可应用由单层粒子组成的自限制(self-limiting)层。例如，若分隔件是带正电荷的，则施加带负电荷的层。一旦表面完全被带负电荷的层覆盖，则粒子的沉积被停止。应注意的是，在本文上下文中使用的术语“自限制”是指因为沉积了单层粒子，所以由于带相同电荷的粒子之间的自然排斥，不存在粒子的积聚。所述应用可通过例如使用喷涂工艺将合适的混合物涂覆到分隔件上来执行。清洗工艺被执行以清洗掉任何过量的粒子和溶液。清洗可通过将水喷涂在已沉积的层上或者使分隔件流过水浴来执行。或者，可使用无水溶剂，诸如乙腈、乙醇、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃等。此时，分隔件涂覆有单层陶瓷粒子，所述单层陶瓷粒子的厚度实质上对应于已经在聚合物溶液中使用的陶瓷粒子的直径。将第二层带相反电荷的粒子施加到前述层，并且执行清洗。可使用与上文关于前述层所描述的相同的方式来执行应用和清洗。此时，分隔件将具有陶瓷涂层，所述陶瓷涂层的厚度实质上为所使用的陶瓷粒子的直径的约两倍。根据需要多次重复这些步骤，以实现所需厚度的陶瓷涂层——例如，可将约3微米厚度的涂层应用到电池结构中分隔件的面向负电极的表面上。然而，在一些实施方式中可涂覆分隔件的两侧。在此类实施方式中，经整个涂覆的分隔件结构可为约16微米厚，并且可能薄至10微米厚。
此外，在一些实施方式中，陶瓷层涂覆工艺涉及用于形成陶瓷涂层的干式方法，而不是如上所述的湿式工艺。在一个实例中，干式工艺涉及使用物理气相沉积(physicalvapor deposition；PVD)技术并且不利用粒子。例如，处理可用以从准备陶瓷膜源材料开始，所述源材料可包括SiO2或者Al2O3——在一些实施方式中使用具有表面活性剂分子的水性溶剂以适当地分散这些粒子。将分隔件结构放置在PVD腔室中并且沉积陶瓷涂层。所述分隔件结构可包括SiO2、Al2O3、锂传导陶瓷氧化物(诸如石榴石组成物、钙钛矿、反钙钛矿的掺杂变体)以及锂传导硫化物，同时聚合的分隔件作为基板。继续沉积直至沉积所需厚度的材料，并且从PVD腔室移除经涂覆的分隔件。应注意的是可重复执行沉积以在分隔件结构的两侧上形成膜。
模块330的沉积工艺可包括：用于沉积阻挡层的热喷涂、PVD沉积(诸如，冷电子束、溅射等)等；以及用于沉积聚合物(粘合剂或者锂离子传导材料)的热喷涂、狭缝式挤压等。
模块350的防护涂层形成工艺可包括：用于碳酸锂涂层的对二氧化碳的控制暴露(以提供特定的碳酸盐厚度)；用于无机防护涂层的热喷涂工艺、PVD沉积工艺(诸如冷电子束、溅射等)等；以及用于聚合物涂层的热喷涂工艺、狭缝式挤压工艺等。
根据一些实施方式的具有分隔件的锂离子电池可与正电极和负电极组合以形成如图1中示意性图示的电池。分隔件与其他电池元件的整合可发生在用于制造分隔件的相同的制造设备中，或者分隔件可在卷轴上运输并且整合可在其他地方发生。制造电池的工艺通常如下进行：提供分隔件、负电极和正电极；将分隔件、负电极和正电极分别切割成所需大小的片材以用于电池单元；将接头添加到正电极与负电极的切割片材；将正电极与负电极的切割片材与分隔件组合以形成电池单元；可缠绕或者堆叠电池单元以形成所需的电池单元构造；在缠绕或者堆叠之后，将电池单元放置在罐中，抽空罐，用电解质填充罐后密封。
虽然已经参照具有石墨负电极的锂离子电池特定描述了本公开内容的实施方式，但是本公开内容的教导和原理可适用于其他基于锂的电池，诸如基于Li聚合物、Li-S、Li-FeS2、Li金属的电池等。对于基于Li金属的电池如Li-S和Li-FeS2，可能需要较厚的Li金属电极，并且Li金属的厚度取决于正电极负载。在一些实施方式中，Li金属电极的厚度对于Li-S而言可在3微米与30微米之间，并且对于Li-FeS2而言可为大约190-200微米，并且可沉积在相容基板(如Cu或者不锈钢金属箔)的一侧或两侧上——本文所描述的方法与工具可用于制造此类Li金属电极。
此外，在一些实施方式中，基于锂金属的电池可通过以下步骤来制造：将锂金属负电极直接沉积到电池分隔件结构上，接着将负电极集电器直接沉积到锂金属负电极的表面上——此举形成了组合的负电极与分隔件，所述组合的负电极与分隔件可随后与正电极、集电器等组合以形成完整的基于锂金属的电池。锂金属负电极的沉积可如上文关于用于锂离子电池的分隔件上沉积锂金属薄膜所描述的一样，区别在于：基于锂金属的电池的锂金属负电极可在一些实施方式中更厚，取决于负极材料组成——例如对于基于锂金属的电池锂金属负电极的厚度可为1微米至60微米。负电极集电器可由诸如铜、镍、不锈钢、金属合金等的金属形成，并且可通过诸如PVD、CVD等的工艺沉积到锂金属负电极上；如果需要，此制造方法允许形成薄集电器——如果集电器作为基板，则可实现的更薄。在此实施方式中，用于基于锂金属的电池的分隔件可在各实施方式中包含如上所述以及如图2所示的各种结构中的一个或多个结构——例如，陶瓷涂层、阻挡层、以及分隔件膜的孔隙，所述分隔件膜的孔隙填充有从以下材料组成的群组中选择的一种或多种材料：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂以及锂离子传导陶瓷材料。在一些实施方式中，具有锂金属负电极与集电器的电池分隔件可使用如上所述并且如图3至图5所示的工具及系统来制造，尽管模块350可改变用途以用于通过PVD或者CVD工艺来沉积集电器。
此外，在一些实施方式中，薄(薄至足以补偿第一电池循环期间锂金属的不可逆损失)的锂膜(例如1至5微米厚度的锂膜)可使用本公开内容的方法及工具直接沉积在负电极上——例如，锂金属薄膜可沉积在合适的导电基板(例如，铜等)上的石墨(含有或不含有硅)层上。
虽然已经参考本公开内容的一些实施方式具体地描述了本公开内容，但是对于熟悉本领域的一般技术人员而言应显而易见的是：在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行变化和修改。

Claims (15)

1.一种锂离子电池，包含：
正电极；
负电极；以及
分隔件，所述分隔件位于所述正电极与所述负电极之间，所述分隔件涂覆有锂金属薄膜，所述锂金属薄膜具有厚度，所述厚度小于或等于足以补偿在所述锂离子电池的第一循环期间锂金属的不可逆损失的厚度。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中所述锂金属薄膜的厚度在1微米与5微米之间，包括端值。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池，进一步包含陶瓷层，所述陶瓷层在所述分隔件上并介于所述分隔件与所述锂金属薄膜之间。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其进一步包含阻挡层，所述阻挡层在所述陶瓷层与所述锂金属薄膜之间，其中所述阻挡层由从以下材料组成的群组中选择的材料形成：氧化铝、铝氮氧化物、氧化锆、锆氮氧化物、氮化铝、氮化硅、铝酸锂、硝酸锂、硼酸锂、锂离子传导硫化物，以及锆酸锂镧。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中所述分隔件包含孔隙，并且这些孔隙使用从由以下材料组成的群组中选择的一种或多种材料填充：锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂，以及锂离子传导陶瓷材料。
6.一种制造电池分隔件的方法，包含：在分隔件膜上沉积锂金属薄膜，其中所述锂金属薄膜的厚度为至少1微米，并且其中所述沉积不填充所述分隔件膜的孔隙。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：在所述沉积所述锂金属薄膜的步骤之前，在所述分隔件膜的孔隙中沉积锂离子传导聚合物、可溶于液体电解质中的粘合剂、以及锂离子传导陶瓷材料中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：在所述沉积所述锂金属薄膜的步骤之前，在所述分隔件膜上沉积陶瓷层以形成第二分隔件膜，其中所述锂金属薄膜沉积在所述第二分隔件膜的所述陶瓷层上。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包含：在所述陶瓷层与所述锂金属薄膜之间沉积阻挡层，其中所述阻挡层由从由以下材料组成的群组中选择的一种或多种材料形成：铝酸锂、硝酸锂，以及硼酸锂。
10.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：用防护层涂覆所述锂金属薄膜，以用于保护所述锂金属薄膜不被环境氧化剂氧化。
11.根据权利要求6所述的方法，进一步包含：在所述锂金属薄膜上沉积集电器，其中所述锂金属薄膜为锂金属电池的负电极。
12.一种用于制造涂覆有锂金属的电池分隔件的装置，所述装置包含：
卷轴至卷轴系统，所述卷轴至卷轴系统用于传送连续的分隔件膜通过一个或多个模块；以及
第一模块，所述第一模块用于在所述分隔件膜上沉积锂金属薄膜，所述第一模块经配置用于通过从以下工艺组成的群组中选择的工艺来沉积所述锂金属薄膜：物理气相沉积、电子束蒸发、薄膜转移以及狭缝式挤压沉积，并且其中所述第一模块进一步经配置以在不填充所述分隔件膜的孔隙的情况下沉积所述锂金属薄膜。
13.根据权利要求12所述的装置，进一步包含：第二模块，所述第二模块用于在沉积所述锂金属薄膜之前，在所述分隔件膜上沉积陶瓷层，其中所述锂金属薄膜沉积在所述陶瓷层的表面上。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包含：第三模块，所述第三模块用于在所述锂金属薄膜沉积在所述陶瓷层的所述表面上之前，在所述陶瓷层上沉积阻挡层。
15.根据权利要求12所述的装置，进一步包含：第四模块，所述第四模块用于在所述锂金属薄膜的所述表面上形成集电器，其中所述锂金属薄膜为锂金属电池的负电极。
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