[发明专利]电化学电池中的自修复电极保护

说明书

提供用于保护电化学电池中的电极的制品和方法，包括用于电极保护结构中的保护材料前体层。某些实施方案涉及包含保护材料前体层的电极保护结构，所述保护材料前体层在与液体电解质直接接触时导致形成前体层的材料与电解质的组分之间的反应产物。

相关申请

本申请要求2013年8月8日提交的美国临时申请No.61/863,502的优先权，通过引用将其关于该目的的全部内容并入本文中。

领域

提供用于保护电化学电池中的电极的制品和方法，包括用于电极保护结构中的保护材料前体层。

背景

近年来在开发具有含锂阳极的高能量密度电池方面存在相当的兴趣。因为它极轻的重量和高能量密度，与其中非电活性材料的存在提高阳极的重量和体积，由此降低电池的能量密度的阳极如锂插层碳阳极相比，以及与具有例如镍或镉电极的其它电化学系统相比，锂金属作为电化学电池的阳极是特别有吸引力的。锂金属阳极或者主要包含锂金属的那些提供构造重量较轻且具有比电池如锂离子、镍金属氢化物或镍-镉电池更高的能量密度的电池的机会。这些特征对用于其中轻重量是优质的便携式电子设备如便携式电话和膝上型计算机的电池而言是非常理想的。不幸的是，锂的反应性和相关循环寿命、树枝状结晶形成、电解质相容性、制造和安全性问题妨碍了锂电池的商业化。

尽管存在受保护锂阳极的发展，需要改进。

概述

提供用于保护电化学电池中的电极的制品和方法，包括用于电极保护结构中的保护材料前体层。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的可选解决方法和/或一种或多种体系和/或制品的多种不同用途。

在本发明一方面中，提供用于电化学电池的电极。该电极包含电活性材料和位于电活性材料与电池所用电解质之间的保护材料前体，选择前体以与电池所用电解质的组分反应以产生抑制电解质与电活性材料相互作用的阻断材料。

在一组实施方案中，提供电化学电池。电化学电池包含含有电活性材料的电极、电解质；和位于电活性材料与电解质之间的保护结构。保护结构包含前体材料，所述前体材料配置用于与电解质的组分反应以产生抑制电解质与电活性材料相互作用的阻断材料。

在另一组实施方案中，提供一系列方法。在一个实施方案中，方法包括：在包含含有电活性材料的电极、电解质和位于电活性材料与电解质之间的保护结构的电化学电池中，其中保护结构包含配置用于与电解质的组分反应的前体材料，进行步骤：使至少一部分前体材料与电解质的组分反应以产生抑制电解质与电活性材料相互作用的阻断材料。

在另一实施方案中，方法包括：在包含阳极、阴极和位于阳极与阴极之间的电解质的电化学电池，进行步骤：在位于阳极和阴极中的一个与电解质之间的保护结构的裂纹或缺陷中形成阻断材料；和实质性地抑制电解质的组分与阳极或阴极的电活性材料之间的相互作用。

在上文和本文所述电极、电化学电池和/或方法中，在一些实施方案中，保护结构包含位于电活性材料与电解质之间的离子传导层。在一些情况下，离子传导层可包含面对电解质的第一面，所述第一面基本不含前体材料使得在电池的使用期间在离子传导层中不存在使电解质暴露于前体材料的裂纹或空隙下使前体材料屏蔽电解质。

在某些实施方案中，离子传导层包含陶瓷材料。另外或者作为选择，离子传导层包含聚合物材料。离子传导层可以为对锂离子传导的。在某些实施方案中，例如离子传导材料包含以下一种或多种：Li₂O、Li₃N、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、CeO₂、Al₂TiO₅和氧硫化物玻璃。

在上文和本文所述电极、电化学电池和/或方法中，在一些实施方案中，前体材料为与离子传导层相邻布置的前体层。在一些情况下，前体材料至少部分地嵌入离子传导层内。