[发明专利]受保护的活性金属电极、锂金属电极及具有此电极的元件

说明书

技术领域

本发明是有关于一种活性金属电极的结构，且特别是有关于一种受保护的活性金属电极、锂金属电极及具有此电极的元件。

背景技术

提升储存电容量是目前二次电池研发重点之一。在二次电池中的锂离子电池正极与负极分别使用可进行锂离子嵌入/脱出的材料可具有最高的能量密度，但由于受限于正极与负极材料有限的电容量，使得锂离子电池所能达到的最高能量密度受限于材料瓶颈而无法向上提升，因此，急需具有高电容量的电极材料开发。

在众多材料之中，以使用活性金属如锂、钠、镁、钙、铝等作为电池的活性材料可具有轻量化与高电容量的优点，其中尤以锂金属本身以及与锂可进行合金化的材料(如硅、锡、铝等)都可达到高电容量的效果，然而，使用与锂可进行合金化的材料在与锂反应时则伴随着不可避免的体积膨胀，在反复充放电过程中使活性物质碎裂与脱落，导致其可循环寿命不佳。在活性金属中，例如锂金属本身虽具有高达3862mAh/g的电容量，但其活性极高，不但对于水气与空气都相当敏感，且在充放电过程中锂金属也会与电解液中的物质产生反应导至活性逐渐丧失而可提供的电容量降低，其它的活性金属如钠、镁、钙、铝也都会同样受到外界可反应物质的侵蚀而影响其电容量。另一方面例如锂金属表面在多次反复充放电后会产生枝晶锂沉积，此种表面的锂沉积则隐藏了刺穿隔离膜使元件短路的安全疑虑。因此，若能在活性金属电极的表面镀制一导电保护层，应可有效的提高元件的电容量与提高其可循环的寿命。

目前，作为活性金属电极表面的保护层的有单层结构或多层结构。若表面保护层采用单层结构设计者，对活性电极在元件中使用时无法产生有效的抑制劣化效果。但若表面保护层采用多层结构设计者，则有兼容性与导电能力的问题。在现有技术中，多层结构若包含离子传导陶瓷、离子传导盐类、有机化合物、高分子等，容易有传导电子能力不佳的问题。如果多层结构包含可与离子进行合金反应的金属，则容易在与离子合金化过程则不可避免地产生体积膨胀，导致电极各层无法维持稳定兼容性结构而影响使用寿命，甚至发生保护层材料碎裂的情形。

发明内容

本发明提供一种受保护的活性金属电极，能有效抑制活性金属劣化并维持导电能力。

本发明又提供一种受保护的锂金属电极，能有效抑制锂金属劣化并维持导电能力。

本发明另提供一种具有受保护的活性金属电极的元件，可提升电容量并增进其循环寿命。

本发明提出一种受保护的活性金属电极，包括活性金属基材与位于活性金属基材的表面的保护层。这层保护层至少包括被覆于活性金属基材的所述表面的金属薄膜与被覆于金属薄膜的表面的导电薄膜。上述金属薄膜的材料为钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽或钨；导电薄膜的材料则是选自包括金属薄膜的金属的氮化物、金属薄膜的金属的碳化物、类钻碳薄膜(DLC)及其组合其中之一。

在本发明的一实施例中，上述活性金属基材包括锂、钠、镁、钙、铝金属基材、或其組合。

本发明又提出一种受保护的锂金属电极，包括锂金属基材与位于锂金属基材的表面的保护层。这层保护层至少包括被覆于锂金属基材的所述表面的金属薄膜与被覆于金属薄膜的表面的导电薄膜。上述金属薄膜的材料为钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽或钨；导电薄膜的材料则是选自包括金属薄膜的金属的氮化物、金属薄膜的金属的碳化物、类钻碳薄膜及其组合其中之一。

本发明另提出一种具有受保护的活性金属电极的元件，包括正极、活性金属负极、以及与正极和活性金属负极接触以提供传导用活性金属离子的电解质。所述活性金属负极为上述受保护的活性金属电极。

在本发明的另一实施例中，上述活性金属负极的活性金属基材包括锂、钠、镁、钙、铝金属基材、或其組合。

在本发明的一实施例中，上述金属薄膜的厚度为10nm～100nm之间。

在本发明的一实施例中，上述导电薄膜的电阻率为10^-5Ω·cm～10²Ω·cm之间。

在本发明的一实施例中，上述导电薄膜的厚度为10nm～1000nm之间。

在本发明的一实施例中，上述类钻碳薄膜为四面体非晶碳(ta-C)结构，且sp³比例>40%。

在本发明的一实施例中，上述导电薄膜的材料包括TiN_x、CrN_x、TaN_x或NbN_x，且0.01<x<1.0。