[发明专利]精细沉积的锂金属粉末

说明书

相关申请的交叉引用

本申请对2009年12月3日提交的序列号为61/266,308的美国临时申请要求优先权，通过引用将该临时申请的公开内容整体并入本文。

发明领域和背景

本发明涉及将锂金属粉末精细沉积（finely depositing）在基底上的方法。此类精细沉积的锂金属粉末可例如用于形成原电池或二次电池的电极。

锂和锂离子二次或可再次充电电池已发现用于某些应用(例如移动电话、可携式摄像机和膝上型计算机)中，甚至最近用于更大功率的应用(例如在电动车和混合电动车)中。在这些应用中优选二次电池具有尽可能高的比容量（specific capacity），但仍提供安全的操作条件和良好的可循环性，以使得在随后的再充电和放电循环中保持高比容量。

尽管二次电池存在各种构造，但每种构造均包括正极（或阴极）、负极（或阳极）、分隔阴极和阳极的隔板、和与阴极和阳极电化学连通的电解质。对于二次锂电池，当二次电池正在放电（即，用于其特定应用）时，锂离子从阳极通过电解质转移到阴极。在放电过程中，从阳极收集电子并将其通过外部电路传送到阴极。当二次电池正在充电或再充电时，锂离子从阴极通过电解质转移到阳极。

历史上，使用具有高比容量的非锂化化合物（例如TiS₂、MoS₂、MnO₂和V₂O₅）作为阴极活性材料来制备二次锂电池。这些阴极活性材料与锂金属阳极相结合。当二次电池放电时，锂离子从锂金属阳极通过电解质转移到阴极。遗憾的是，一经循环，锂金属发展为树枝状晶体，其最终在电池中造成不安全的状况。结果，在赞成（in favor of）锂离子电池的二十世纪九十年代早期停止这些类型的二次电池的生产。

锂离子电池通常使用锂金属氧化物（例如LiCoO₂和LiNiO₂）作为与碳基阳极结合的阴极活性材料。在这些电池中，避免了在阳极上形成锂树枝状晶体，从而使电池更加安全。然而，其“可用”量决定电池的容量的锂全部从阴极供应。这限制了对阴极活性材料的选择，因为活性材料必须含有可移动的锂。另外，在充电和过充电期间形成的脱锂产物倾向于不稳定。尤其，这些脱锂产物倾向于与电解质反应并产生热，这引起安全性关注。

此外，新的锂离子电池（cells或batteries）最初处于放电状态。在锂离子电池的第一次充电期间，锂从阴极材料（如LiCoO₂或LiNiO₂）移动至阳极材料（如石墨）。在阳极上形成的钝化膜称为固体电解质界面或SEI。SEI膜归因于电极表面上的电解质中存在的物质（species）的电化学还原。一经随后放电，形成SEI所消耗的锂不会返回到阴极。这导致锂离子电池具有相比于最初充电容量较小的容量，因为一些锂已通过形成SEI而被消耗。可用锂的不可逆消耗降低了锂离子电池的容量。此现象称为不可逆容量，并且已知消耗常规锂离子电池容量的约10%至20%。因此，对锂离子电池最初充电之后，该锂离子电池损失其容量的约10%至20%。

一种解决方案是使用稳定的锂金属粉末(SLMP^?)来预先锂化阳极。例如，可通过用CO₂钝化金属粉末表面来稳定锂粉末，例如美国专利第5,567,474号、第5,776,369号和第5,976,403号中所述，通过引用将这些专利的公开内容整体并入本文。然而，由于锂金属与空气的反应，CO₂钝化的锂金属粉末仅能够在锂金属含量下降之前在具有低水分含量的空气中使用有限的一段时间。另一种解决方案是将氟化涂层施加至锂金属粉末，如美国专利第7,588,623号中所述，通过引用将其公开内容整体并入本文。另一种解决方案是提供蜡层，如美国公开第2009/0035663A1号中所述，通过引用将其公开内容整体并入本文。然而，对用于将锂金属粉末施加至形成电池的各种基底的改进方法保持着需求。

发明概述