[发明专利]锂金属极板及其应用的锂金属电池

说明书

本发明提供一种锂金属极板及其应用的锂金属电池，所述的锂金属极板包括集电层、锂金属层、绝缘框体、多孔电性绝缘层及离子扩散层；集电层具有井结构，其底表面设置有锂金属层，而绝缘框体形成于井结构的开口边缘并向下延伸以完全遮蔽井结构的内侧表面且紧邻锂金属层的顶表面，以使井结构的内侧表面不会外露，因此锂金属析出时，会限制在井结构内且不会大量生长在井结构的内侧表面，以避免锂金属在集电层上大量地生长，且同时可以限制锂金属生长的范围与方向，避免锂突触不断向上生长而发生穿刺的情形，以提高锂金属电池的安全性。

技术领域

本发明涉及一种锂电池的极板，特别是指一种锂金属极板及其应用的锂金属电池。

背景技术

现有以锂为活性材料的电池系统具有工作电压高（3.6 V）、能量密度大（120 Wh/kg）、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，在以锂为活性材料的电池系统中，充电式金属锂电池是最早发展的锂电池系统，虽然具有很高的能量密度，但由于金属锂的化学性很强、易与电解质反应，造成金属锂电池有不稳定和安全性的问题。基于安全性的考虑，近年来，多改以研发较为新型的充电式锂高分子电池，其以高分子电解质取代原本有机溶剂以作为电池内的电解液，大大提高了锂电池在使用上的安全性。

对于电池系统而言，除了过去对于安全性的高度要求外，为了提供电子产品能具有更长的操作时间，电池系统的使用寿命又再次成为电池系统研发的重要议题，故许多电池系统的研究方向，由追求电池系统的安全性转向电池系统的寿命。而由过去以锂电池系统的发展进程来说，虽然金属锂电池系统在过去因为安全性的因素而被中断，但不可否认的是，由于金属锂电池系统的活性材料直接采用金属锂，故与其他离子锂电池系统或锂高分子电池系统相较，金属锂电池系统所提供的能量密度大于这些锂化合物的电池系统。

但是，金属锂为一种非常活泼的金属，若非在适当的储存环境或是良好的操作环境下，金属锂本身相当容易发生激烈的氧化还原反应。也因此，在实际的应用上，金属锂电池若能有效地克服其使用时的安全性疑虑并降低其在工艺或储存时的困难性，其实是非常符合现行可携式的智能型电子产品的需求。

有鉴于上述，本发明遂针对上述现有技术的缺点，提出一种锂金属极板及其应用的锂金属电池，以有效克服上述的这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂金属极板及其应用的锂金属电池，借由具有井结构的集电层，以使锂金属电池中的锂金属电池中的锂金属可在特定的区域中析出。

本发明的目的在于提供一种锂金属极板及其应用的锂金属电池，借由一多孔电性绝缘层以使锂金属电池中在充电下所形成的锂金属树枝状结晶，被限制在特定高度下生长，同时由于因为多孔电性绝缘层的机械应力存在关系，进而限制垂直生长高度，迫使锂金属树枝状结晶往水平方向成长，使得井结构内部的空间可被沉积的锂金属相当程度的利用，而不会发生锂金属树枝状结晶刺穿电性绝缘层，借以避免内部短路的问题，同时也因机械应力的限制，也可避免因锂金属树枝状结晶往垂直方向持续增长，而将明显增加了电池的厚度。

本发明的目的在于提供一种锂金属极板及其应用的锂金属电池，借由在集电层的井结构内设置有离子扩散层，离子扩散层内有颗粒状结构或纤维状结构材料与孔洞分布，其中，锂金属电池中的锂金属可以在离子扩散层的孔洞内进行沉积与溶解，同时沉积过程中锂金属还可以依附于离子扩散层的颗粒状结构或纤维状结构形成保护锂金属表面的固态电解质界面(SEI)，由于锂金属沉积与溶解的尺寸变化（15~20um）相对于固态电解质界面的厚度(10~50nm)差别太大，若无支撑则每次沉积与溶解都会相当的破坏固态电解质界面，而破坏固态电解质界面则需要损耗可逆容量（锂离子浓度），因此本发明设计离子扩散层内的颗粒状结构或纤维状结构材料成为支撑固态电解质界面在锂金属沉积与溶解的结构材料，或是更甚者，部分颗粒状或纤维结构材料直接参与此固态电解质界面的形成，进而支撑固态电解质界面，并使锂金属沉积(plating)与溶解(striping)过程减少持续生成固态电解质界面进而减少可逆容量的损失。