[发明专利]在固-固界面上电沉积电活性物质的方法

说明书

本发明涉及一种使用脉冲电流进行电沉积的方法，以提高在固‑固界面上电沉积的材料的均匀性。已经证明，电沉积的金属薄膜可以稳固地沉积在固‑固界面上而不损伤固体电解质。此外，包括电流密度、脉冲宽度和占空比的脉冲参数也显示出了对电沉积金属空间分布的巨大影响。所述方法可以帮助制造应用于先进的功能材料和电化学装置的微观结构和薄膜。在一个实施方式中，所述方法提供了一种无阳极制造法，即电池是在放电状态下制造的，所述方法用一个裸露的集电器代替传统阳极，然后通过电镀包含在阴极内的金属，在第一个充电循环中用电化学的方式形成金属阳极。

相关申请的交叉引用

本申请基于2020年1月21日提交的62/963,700号美国专利申请和2020年3月13日提交的62/988,986号美国专利申请，并要求其优先权，其通过引用全文纳入本文以用于所有目的。

关于联邦资助研究的说明

本发明在能源部授予的DE-AR0000653的政府支持下完成。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及使用脉冲电流电沉积方法在固体上电沉积电活性物质的方法，来实现电沉积材料薄膜的均匀性。更具体地，本发明涉及无阳极制造法，其中电池是在放电状态下制造的，用一个裸露的集电器代替传统的阳极，然后通过电镀包含在阴极内的金属，在第一个充电循环中以电化学的方式形成金属阳极。

2.相关领域描述

在基材上电化学沉积电活性物质的是一种广泛使用的方法，用于控制微观结构的制造和表面工程。在传统的电沉积中，电活性物质(通常是金属阳离子)包含在液体电解质中，并与工作电极和对电极耦合。当在电极上施加电位时，工作电极/电解质界面会产生电化学反应，使金属阳离子以纯金属的形式沉积到工作电极上。由于所述的技术可用于将金属的薄膜和微观结构沉积到表面上，已经开发了各种不同的方法来获得对电沉积金属形态的更精准的控制。这些技术通常通过调节诸如电解质组分、表面化学和电化学动力学等因素，来沉积具有所需微观结构的金属[参考文献1-5]。然而，由于固体电解质和液体电解质所固有的不同性质，在固-固界面上的电沉积机制有很大的不同[参考文献6-10]。随着电活性物质开始在工作电极/电解质界面沉淀和成核，工作电极和电解质被迫分层，以适应两者之间新固相的生长。由于必须保持接触以提供电子来发生氧化还原反应，实现电沉积材料薄膜的均匀性涉及到核生长动力学、多界面的扩散性和表面张力，以及不同组件的机械性能之间的复杂平衡。随着用于电池和燃料电池的固体电解质的发展，在固-固界面的电沉积变得越来越重要，因此，调节所述界面的电沉积动力学和机械力学的方法是必要的，以获得对固-固界面上电沉积薄膜的微观结构的控制。对于某些应用，如固态存储，需要尖锐的枝晶结构(dendritic structure)，而其他应用，如能源存储，则需要致密和共形的薄膜。

因此，现在需要的是一种改进的方法，用于在固体基材或固态电解质上电沉积电活性材料，从而达到需要的形态。

发明内容

电沉积材料(通常是金属)的微观结构受到电解质中浓度梯度、表面化学和形态以及电化学动力学等因素的影响。在利用液体电解质的传统电化学系统中，有各种不同的技术可以用来调节这些因素，并允许对沉积材料的微观结构进行精确控制。然而，当使用固态电解质时，电极/电解质界面周围的机械和化学环境本质上是不同的，因此，支配电镀材料微观结构的机制可以有很大的不同。因此，当电解质是固体而不是液体时，控制电镀材料的微观结构的方法将有所不同。对于许多应用来说，电沉积材料的均匀薄膜是非常理想的形态。本发明公开了一种使用脉冲电流电沉积方法在固体电极和固体电解质的界面上获得电沉积材料的均匀薄膜的方法。