[发明专利]用于在包括可再充电锂电池的电化学电池中保护电极的陶瓷/聚合物基体

说明书

本发明公开了用于形成陶瓷/聚合物复合结构的制品和方法，所述复合结构用于保护在包括可再充电锂电池的电化学电池中的电极。

领域

本发明提供了用于形成复合结构的制品和方法，所述复合结构用于保护在包括可再充电锂电池的电化学电池中的电极。

背景

近年来十分关注开发具有含锂阳极的高能量密度电池。锂金属作为电化学电池的阳极是特别受关注的，这是因为例如与阳极、例如嵌入锂的碳阳极相比，其中非电活性材料的存在增加了阳极的重量和体积以致降低了电池的能量密度，以及与例如具有镍或镉电极的其它电化学电池相比，锂具有极轻的重量和极高的能量密度。锂金属阳极或主要含锂金属的那些阳极提供了生产具有与例如锂离子、镍金属氢化物或镍-镉电池相比更轻的重量和更高的能量密度的电池的机会。这些特征对于便携式电子设备的电池而言是十分需要的，例如手机和笔记本电脑，其前提是具有低重量。不幸的是，锂的反应性和相关的循环寿命、树枝状结构的形成、电解质相容性、生产和安全问题阻碍了锂电池的工业化。

虽然已经开发了许多受保护的锂阳极，但是仍然需要改进。

概述

本发明提供了用于形成保护在电化学电池中的电极的复合结构的制品和方法，所述电化学电池包括可再充电的锂电池。此主题在一些情况下涉及嵌入式产品，针对特定问题的其它解决方案，和/或一种或多种体系和/或制品的多种不同用途。

在一个方面，提供一种用于电化学电池的电极。所述电极包含：含有活性电极物质的底层；以及保护结构，其用于当电极布置在电化学电池中时保护电极免受电解质影响，所述保护结构具有面对活性电极物质的第一侧面，以及面对电解质的第二侧面。保护结构包含：至少第一个和第二个复合材料层，每层包含具有多个空隙的聚合物基体和填充至少两个空隙的陶瓷材料。每个被陶瓷填充的空隙是与底层之间离子连通的。保护结构具有至少10^-7S/cm的平均离子电导率。

在另一个实施方案中，用于电化学电池的电极包含：含有活性电极物质的底层；以及保护结构，其包括至少第一个复合材料层，所述复合材料层包含在基体内的空隙的图案排列，其中聚合物或陶瓷材料形成基体，并且其它聚合物或陶瓷材料填充至少一部分空隙。保护结构具有至少10^-7S/cm的平均离子电导率。

在另一个实施方案中，所述电极包含：含有活性电极物质的底层；以及保护结构，其用于当电极布置在电化学电池中时保护电极免受电解质影响，所述保护结构具有面对活性电极物质的第一侧面，以及面对电解质的第二侧面，其中保护结构包含：至少第一个和第二个复合材料层，每层包含具有多个空隙的连续聚合物基体和填充至少两个空隙的陶瓷材料，其中每个被陶瓷填充的空隙是与底层之间离子连通的，其中保护结构具有至少10^-7S/cm的平均离子电导率。

在另一个方面，提供用于电化学电池的电极，其包含：含有活性电极物质的底层；以及含有聚合物和陶瓷材料的保护结构，其中保护结构具有至少10^-7S/cm的平均离子电导率，和/或聚合物含量是至少2重量％。

在另一个方面，提供一种生产在电极上的保护结构的方法。此方法包括形成与保护结构连接的含有活性电极物质的底层，其中保护结构是如下形成的：在底材上布置至少一个含聚合物或陶瓷材料的基体层，所述基体包含空隙的图案排列，并且用其它聚合物或陶瓷材料填充至少一部分空隙以形成复合材料层。所述复合材料层具有至少10^-7S/cm的平均离子电导率。

在另一个实施方案中，一种方法包括在电极的至少一个表面上提供基底组分，其含有具有空隙的连续聚合物基体，并用陶瓷材料浸渍基底组分以使得复合结构具有至少10^-7S/cm的平均离子电导率。