[发明专利]包含集电极保护阻挡层的蓄电装置

说明书

技术领域

本发明涉及电化学蓄电装置。

具体地，涉及蓄电池和超级电容器。

背景技术

蓄电装置通过多个电化学层的组装而制成。

这些装置通常包含多层单元组件，所述单元组件包括电极层(阴极和阳极)以及插入电极层之间的隔离层。该装置还可以包含一个或多个集电极层，每个集电极层与特定的电极层接触。

在液态电解质装置中，隔离层(隔离物)由多孔材料制成，这些不同的层中浸透着液态电解液。

在固态电解质装置中，隔离层由固态电解质层组成。

隔离层的作用是固定电极层，使之相隔一定距离，以避免电化学装置的短路，同时仍允许通过电解质在电极层间建立离子电流。

每个集电极层的作用是收集并传导来自与之相连的电极的电流。

例如，在锂-聚合物蓄电池型的蓄电装置中，阴极层(单层或多层)由包含聚合物混合物和激活电荷的合成物组成。典型地，聚合物的混合物包括含氟聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)。例如，活性电荷由活性炭或锂的插入化合物组成。

装置包含一个或多个集电极层，该集电极层与一个或多个阴极层相连。集电极层(单层或多层)由金属制成，如铝或铜。

在超级电容器型的蓄电装置中，电极层(单层或多层)由包含聚合物混合物和活性电荷的合成物组成。典型地，聚合物混合物包括含氟聚合物，如聚偏氟乙稀(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)。活性电荷例如由活性炭组成。

装置包含一个或多个集电极层，该集电极层与一个或多个电极层相连。集电极层(单层或多层)由金属制成，如铝或铜。

金属集电极层(单层或多层)有在其表面自然形成薄的氧化膜的趋势。因此，铝集电极层在其表面形成氧化铝(Al₂O₃)膜。

在将集电极层机械组装到阴极层的过程中，集电极层和阴极层之间界面处的氧化膜会遭到破坏。

在电化学装置的工作过程中，电解质的离子通过阴极扩散到集电极。电解质中的离子与集电极中的金属反应，生成钝化层。这样，氧化膜由电解质中包含的离子与集电极的金属反应得到的钝化层逐渐取代或增多。

在铝集电极的情况下，氟(F)离子存在时，钝化层典型地包含氟化铝(AlF₃)或氢氧化铝(Al(OH)₃)。

在锂离子(Li⁺)存在时，可观察到氧化锂(Li₂O)或氢氧化锂(LiOH)层的形成，作为原始氧化膜的替代物。

钝化层一旦形成，就会组成阻挡层，阻止电解质的某些离子扩散到集电极层，从而保护了集电极。

然而，钝化层的形成也消耗了电解质中的离子，从而有损于集电极层。

另外，在电极带电情况下，如果发生钝化层的局部破裂(例如，由于冲击或碰撞，刮伤或化学分解等原因引起)，电极中存在的石墨电荷会引起电化学反应，溶解金属，从而使得集电极层裸露。这些反应也会由于电池的电化学效应产生潜在的危险气体(尤其是氢气)。

最后，在铝集电极层和聚合物电极层的情况下，集电极层表面存在的氧化铝会导致电极层与集电极层的连接变弱。

所有的这些现象都会导致集电极层在蓄电装置的使用寿命内被彻底消耗，进而严重影响装置在使用过程中的性能。

发明内容

本发明目的之一是在电化学蓄电装置的寿命内保护集电极。

结合本发明上下文可以发现，上述问题通过包含电极层和与电极层关联的集电极层的蓄电装置得到解决，其特征在于，该装置还包含插入在电极层和集电极层之间的由金属氮化物形成的阻挡层，该阻挡层用来阻止电解质中的离子扩散至集电极层中。

阻挡层保护集电极不受电解质中活性组分的侵蚀。

另外，阻挡层还在由电极中存在的石墨电荷引起的电化学反应中起着抑制剂的作用。

阻挡层有利地具有以下特性：

-阻挡层由氮化钛(TiN)，氮化铬(CrN)或氮化钛铝(TiAlN)制成；

-阻挡层由金属的氮化物MeN_x制成，其中Me表示一种或几种金属，化学计量比x在0.85至1.05之间，粒度在10至30纳米之间，厚度在0.15至0.30微米之间，化学计量比x定义为阻挡层中包含的氮原子(N)与金属原子(Me)的数量比；

-阻挡层具有柱状结构；

-阻挡层由反应磁控溅射或由等离子激发的电子枪反应蒸镀形成；

-阻挡层具有粒状结构；

-阻挡层由反应电弧蒸镀或无等离子激发的反应电子枪蒸镀形成。