[发明专利]通过用于可再充电电池的二维材料的锂金属的钝化

说明书

本申请涉及用于将二维材料(例如，MoSsubgt;2/subgt;、WSsubgt;2/subgt;、MoTesubgt;2/subgt;、MoSesubgt;2/subgt;、WSesubgt;2/subgt;、BN、BN‑C复合物等等)沉积到锂电极上的方法。还描述并入有用二维材料涂布的锂金属电极的电池系统。所述方法可包含嵌入二维材料以有助于锂离子流入和流出锂电极。二维材料涂布的锂电极提供高循环稳定性和显著的性能改善。系统和方法进一步提供具有带有硫涂层的碳结构(例如，碳纳米管(CNT)、石墨烯、多孔碳、独立式3D CNT等)的电极。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月10日申请的美国临时专利申请第62/457,488号和2017年6月29日申请的美国临时专利申请第62/526,665号的权益，所述专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及钝化技术。更具体地说，本申请提供用于产生具有钝化层以保护其电极的蓄电池的系统、装置以及方法。

背景技术

人们逐渐意识到，当前的锂离子蓄电池技术在存储和能量能力方面达到其极限。然而，对更高能量存储和更长持续时间的装置的需求仍在增加。这已对研究团体探索下一代蓄电池系统提出挑战。正在研究的当前系统中的一些包含锂-空气(Li-O₂)和锂-硫(Li-S)电池。

已将锂(Li)金属称为用以存储Li离子(Li⁺)而不需要使用嵌入和/或导电架构技术的“无嵌入(hostless)”材料。因此，Li金属电极呈现较高理论比容量(约3860毫安时/克(mAh g^-1))和较低氧化还原电势(-3.04伏)；因此，常常将Li金属电极视为用于制成/制造下一代可再充电Li电池的阳极的最佳选择。然而，Li金属阳极呈现引起阻止其使用的多个实际问题的性质。这些性质常常与反复的Li沉积/溶解工艺期间的不可控的枝晶形成相关联，所述枝晶形成可导致蓄电池短路以及潜在的过热和起火。

已实施若干技术以抑制Li枝晶生长和/或增强Li金属的稳定性。举例来说，方法试图通过以下来做到这一点：通过用添加剂修改液体电解质来控制Li的枝晶生长/沉积；采用Li⁺导电聚合物或固态电解质；以及在Li金属的表面上涂覆一层氧化铝(Al₂O₃)。Al₂O₃的薄层是不具有2D材料的电子导电性的陶瓷类材料，因此增大蓄电池电极的内阻。然而，在可再充电电池的情形下，所述方法中没有一个表明是有效的。

虽然硫的低成本和丰富性使得Li-S电池的概念较有吸引力，但存在总体上妨碍Li-S电池的广泛发展的若干问题。举例来说，硫是绝缘材料，其提供较差的活性物质利用率且阻碍充电/放电过程期间的电子转移。此外，在放电过程期间，Li可与硫反应以在阴极处形成高阶可溶性多硫化物，这在循环过程期间在阳极与阴极之间产生多硫化物的穿梭(shuttling)。穿梭效应(shuttle effect)可增大蓄电池的内阻且造成容量衰减。另外，由Li金属的不均匀沉积引起的不受控枝晶的形成可引起更高C率下的安全性问题以及多孔Li金属结构的持续演化，这可导致Li金属的腐蚀。虽然已研发一些方法，但电池效率降低和容量衰减增加的问题仍影响与Li阳极一起使用的Li-S电池的性能。

发明内容