專利名稱：分隔電解質(zhì)的鋰金屬電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種鋰金屬電池，更具體來(lái)說(shuō)，涉及這樣一種 鋰金屬電池，其構(gòu)成為將鋰金屬電池的電極之間電解質(zhì)劃分為多個(gè) 區(qū)域，以增加能量密度、避免由于支狀結(jié)晶的生長(zhǎng)而降低穩(wěn)定性， 以及改善循環(huán)特性。
背景技術(shù)：
目前，人們對(duì)蓄能技術(shù)愈加關(guān)注。在蓄能技術(shù)上，由于其應(yīng)用領(lǐng) 域已擴(kuò)展到電動(dòng)汽車及便攜式電子設(shè)備的電池上，特別需要對(duì)蓄能 技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。在這方面，電化學(xué)裝置最著名，并且已經(jīng)集中到可以充電和放電 的二次電池的開(kāi)發(fā)上。由于更小更輕電器的開(kāi)發(fā)，對(duì)作為電源的更 小更輕的電池有大量的需求。因此，為了提高電池的容量密度和降 低能耗，近來(lái)開(kāi)始對(duì)新的電極和電池的設(shè)計(jì)進(jìn)行研發(fā)。圖1是描述了傳統(tǒng)的鋰金屬電池結(jié)構(gòu)的示圖。在傳統(tǒng)鋰金屬電池中，陽(yáng)極1和陰極2由聚合物電解質(zhì)3所分隔， 所述聚合物電解質(zhì)3使得鋰離子產(chǎn)生移動(dòng)，從而防止電極1和2發(fā) 生短路。此外，在傳統(tǒng)鋰金屬電池中，陽(yáng)極1和陰極2之間包含有 分隔薄膜4，以使電生成反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行。上述的傳統(tǒng)鋰金屬電池中，其能量密度約為3800mAh/g ( 38000 毫安培小時(shí)/克)。但是，由于圖1示出的鋰金屬電池的反復(fù)充電， 會(huì)生成如圖2所示的支狀結(jié)晶6，且其穩(wěn)定性由于支狀結(jié)晶6與電解 質(zhì)之間的反應(yīng)而降低。舉例來(lái)說(shuō)，鋰離子不斷從陽(yáng)才及向陰才及移動(dòng)， 過(guò)度充電時(shí)，鋰對(duì)陰極2的晶體結(jié)構(gòu)的空白區(qū)域進(jìn)行幾何方式填充， 如圖2所示支狀結(jié)晶6從陰極2的表面生成。如果支狀結(jié)晶6不斷生長(zhǎng)，它可能穿透分隔薄膜4并與陽(yáng)極1接觸。在這種情況下，電 池會(huì)爆炸式地釋放巨大的能量而引起著火。由于鋰金屬電池能量密 度的提高，這種現(xiàn)象能引發(fā)嚴(yán)重后果。為了克服上述現(xiàn)象，近來(lái)開(kāi)發(fā)了用于鋰離子吸收釋放過(guò)程的碳材 料和含有導(dǎo)電聚合物的復(fù)合材料作為陰極2以取代鋰金屬或其合金。不過(guò)，由于使用碳材料作為陰極的鋰金屬電池并未采用鋰金屬作 為陰極，在活性鋰與電解質(zhì)之間不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。雖然鋰金屬電池避 免了電極1和2之間由于支狀結(jié)晶而造成短路，但鋰離子被摻入碳 層之間，從而每克容量與碳的量相對(duì)應(yīng)地減少。也就是說(shuō)，當(dāng)碳材 料作為陰極使用時(shí)，可以加強(qiáng)穩(wěn)定性，但理論能量密度與采用鋰金 屬相比而言明顯降低至約370mAh/g。最近已將有機(jī)液體電解質(zhì)用作電解質(zhì)。然而，液體電解質(zhì)可能會(huì) 產(chǎn)生局部泄漏。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了采用固體電解質(zhì)的鋰聚合物電池 以防止電解質(zhì)泄漏，但在能量密度增加時(shí)，這種鋰聚合物電池并不 能解決支狀結(jié)晶的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明采用幾個(gè)實(shí)施例描述了 一種改進(jìn)的鋰金屬電池，以有效地 避免支狀結(jié)晶的生成，及增加了充放電容量。根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例，鋰金屬電池構(gòu)成為將電池的電解質(zhì)分 隔為多個(gè)獨(dú)立區(qū)域。


基于下述具體實(shí)施例并參照附圖可顯示出本發(fā)明其他的技術(shù)方面和優(yōu)點(diǎn)o圖1是傳統(tǒng)鋰金屬電池結(jié)構(gòu)的圖示； 圖2是在傳統(tǒng)鋰金屬電池中生成的支狀結(jié)晶的圖示； 圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的鋰金屬電池的透視圖； 圖4是圖3中沿A-A'方向的剖視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的鋰金屬電池分解透視圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的鋰金屬電池分解透視圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的剖視圖，其中表示了分隔面長(zhǎng)度伸入 金屬電極。
具體實(shí)施方式
下面參考相應(yīng)的附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的鋰金屬電池透視圖，圖4是圖 3中沿A-A'方向的剖一見(jiàn)圖。圖中與圖1和圖2中相同或相似的部分 盡量采用相同的標(biāo)號(hào)。圖3所示的鋰金屬電池包括電解質(zhì)3，所述電解質(zhì)3在陽(yáng)極1和 陰極2之間被平行地分別分為多個(gè)區(qū)域。也就是說(shuō)，圖3所示的鋰 金屬電池的電解質(zhì)3被間隔壁IO分開(kāi)并以矩陣的形式予以劃分。間隔壁10可由聚合物，陶瓷和氧化物形成，也可以采用防止鋰 離子滲透的任何材料制成。間隔壁10之間的間距取決于鋰金屬電池電極1和2之間的間距。 也就是說(shuō)，雖然間隔壁IO之間的間距較小比較好，但間距最好小于 陽(yáng)極1和陰極2的間距的1/5。舉例來(lái)說(shuō)，普通鋰聚合物電池陽(yáng)極l 和陰極2的間距為1毫米，間隔壁IO之間的間距優(yōu)選小于0.2亳米。 然而，間距也可以與電極1和2的間距相同，為1亳米。當(dāng)然，間 隔壁IO之間的間距也可以比電極1和2的間距寬。為了制造這些間隔壁10，可以采用包括化學(xué)氣相沉積(CVD)或蝕 刻工藝的半導(dǎo)體制造工藝。另外，對(duì)于待形成間隔壁的預(yù)定部分采 用影印4支術(shù)以改變這部分的物理特性，由此形成間隔壁10。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的上述鋰金屬電池中，電解質(zhì)3之間不 相互連接，而是由間隔壁10劃分為多個(gè)區(qū)域，從而使圖3中虛線所示 矩形柱狀的各個(gè)電池并聯(lián)。被分開(kāi)的電解質(zhì)3共享陽(yáng)極1和陰極2。當(dāng) 然，被分開(kāi)的電解質(zhì)3的形狀并不僅限于圖3示出的矩形柱形狀。支狀結(jié)晶由多種不同的原因產(chǎn)生，但通常是由于鋰離子不垂直運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。因此，若限定了鋰離子的運(yùn)動(dòng)范圍，就可以降低支狀結(jié)晶的生成。即，如圖3所示，當(dāng)間隔壁IO將電解質(zhì)3獨(dú)立分隔后， 由于鋰離子無(wú)法穿透間隔壁10,因此鋰離子的運(yùn)動(dòng)路徑被限制在各 個(gè)分隔的電解質(zhì)區(qū)域。其結(jié)果是鋰離子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)偏離其起始位置， 避免了支狀結(jié)晶的生長(zhǎng)。盡管支狀結(jié)晶6在圖4示出的每個(gè)鋰金屬電池單元的陰極2中生 長(zhǎng)，但由于支狀結(jié)晶6的生長(zhǎng)受到限制，可以避免由于支狀結(jié)晶6 的生長(zhǎng)造成的陽(yáng)極1和陰極2之間的短路。由此，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，由于在鋰金屬電池內(nèi)部將電解質(zhì)3 分為多個(gè)區(qū)域，可以不用現(xiàn)有技術(shù)中的碳材料制造陰極2。這樣可以 避免由于采用碳材料制作電極導(dǎo)致的能量密度的降低。本發(fā)明實(shí)施例的電解質(zhì)，可以采用有機(jī)電解質(zhì)或聚合物電解質(zhì)。甚 至電解質(zhì)3可以采用液體電解質(zhì)，由于電解質(zhì)3被薄間隔壁分隔，電解 質(zhì)3由于毛細(xì)現(xiàn)象和表面張力附著在間隔壁10上，因此減少了泄露。另外，圖4中所示的間隔壁IO僅僅分隔電解質(zhì)，而圖7所示的 間隔壁IO延伸穿透到電極1和2的預(yù)定深度，并分隔電解質(zhì)。這樣， 可以更為準(zhǔn)確的分隔電解質(zhì)。圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的鋰金屬電池分解透視圖。圖5的實(shí)施例中，在陽(yáng)極1和陰極2之間形成有束狀的涂敷有非 電解質(zhì)30的多個(gè)微電解質(zhì)管20。圖3中設(shè)置間隔壁10來(lái)分隔電解 質(zhì)，而在圖5的實(shí)施例中，在陽(yáng)極1和陰極2之間配置多個(gè)管狀電 解質(zhì)，并且電解質(zhì)管20捆扎成束。電解質(zhì)管20涂敷有非電解質(zhì)材 料，或電解質(zhì)管20間填充非電解質(zhì)材料，以使電解質(zhì)管20不相互 直4妾、接觸。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的上述鋰金屬電池，電解質(zhì)3分隔為多個(gè)區(qū) 域，陽(yáng)極l、陰才及2和分隔薄膜4為同一個(gè)電極或薄膜，由分隔的電 解質(zhì)共用。但是，如果需要，可以依據(jù)分隔的電解質(zhì)的形狀分隔電 極1、 2和分隔薄膜4。例如，如圖3虛線圓中所示，依據(jù)分隔的各個(gè)電解質(zhì)的形狀(大小)分隔電極l、 2和分隔薄膜4，從而每個(gè)分隔的部分可以是獨(dú)立 的小型的鋰金屬電池(鋰電池單元)。這樣，這些鋰電池單元并聯(lián) 的組合起來(lái)形成一個(gè)大鋰金屬電池。每個(gè)鋰電池單元的電解質(zhì)3由 間隔壁10材料封閉，電極1和2并未被間隔壁10封閉。換言之， 鋰電池單元并聯(lián)結(jié)合，由于附著于鋰電池單元側(cè)表面的間隔壁材料， 電解質(zhì)3之間并不直4妾相互"l姿觸，而鋰電池單元電才及1和2與旁邊 的鋰電池單元的電極1和2電連接。可以將間隔壁材料設(shè)置為封閉 電解質(zhì)3和包含與電解質(zhì)接觸的電極1和2的其他表面的部分區(qū)域。這樣，金屬電池由鋰電池單元形成，鋰電池單元為獨(dú)立設(shè)置的， 期望數(shù)量的單元以期望的形狀并聯(lián)組合，從而可以靈活調(diào)整鋰金屬 電池的大小和形狀。圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例第三個(gè)例子的鋰金屬電池分解透視圖。圖6的實(shí)施例中，陽(yáng)極1和陰極2之間設(shè)置有多孔膜30，電解 質(zhì)3吸收于多孔膜的每個(gè)孔中從而將電解質(zhì)分隔為多個(gè)區(qū)域。也就 是說(shuō)，為了分隔電解質(zhì)3，電解質(zhì)3由圖6示出的多孔膜30的每個(gè) 孔所吸收，從而由多孔膜分隔電解質(zhì)。在上述實(shí)施例中，采用間隔壁IO、非電解質(zhì)材料和多孔膜30是 為了分隔電解質(zhì)3，從而總體上減小電解質(zhì)3與電極1和2相接觸的 橫截面。然而，由于依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)在陰極材料中沒(méi)有使 用碳材料，因此與采用碳材料相比，能量密度顯著提高(約IO倍)， 故充電容量顯著提高。因此，本發(fā)明基本原理是在陽(yáng)極1和陰極2之間以細(xì)小的段結(jié)構(gòu) 平行地分隔電解質(zhì)。除上述實(shí)施例外，該分隔方法也可以采用不同 的實(shí)施方式。如上文所述，本發(fā)明實(shí)施例的鋰金屬電池將電解質(zhì)分隔為細(xì)小的 段，從而抑制支狀結(jié)晶的生長(zhǎng)并顯著提高了能量密度。此外，在以 液體電解質(zhì)代替固體電解質(zhì)用于電解質(zhì)材料時(shí)，鋰金屬電池還減少 了滲漏，由此提供不同的選擇性。當(dāng)電池受到壓力時(shí)，鋰金屬電池 所具有的分隔電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)分散了壓力，且由于間隔壁的支撐提高 了堅(jiān)固性。
權(quán)利要求
1.一種鋰金屬電池，其中在陽(yáng)極和陰極之間形成的電解質(zhì)分隔為多個(gè)互不接觸的區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰金屬電池，其特征在于，所述的鋰 金屬電池包括間隔壁，該間隔壁被構(gòu)置成矩陣式地分隔電解質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰金屬電池，其特征在于，所述的間 隔壁由鋰離子不能穿透的材料形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰金屬電池，其特征在于，間隔壁之 間的間距小于陽(yáng)極和陰極間距的1/5。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰金屬電池，其特征在于，所述的鋰 金屬電池包括多個(gè)位于陽(yáng)極和陰極之間涂敷有非電解質(zhì)材料的電解 質(zhì)管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰金屬電池，其特征在于，所述的鋰 金屬電池包括位于陽(yáng)極和陰極之間的多孔膜，電解質(zhì)被吸收于多孔 膜的孔中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰金屬電池，其特征在于，所述的陽(yáng) 極和陰極分隔為與分隔的電解質(zhì)大小對(duì)應(yīng)的部分，每個(gè)部分與其他 的部分電連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鋰金屬電池，鋰金屬電池電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰極之間被分隔為多個(gè)互不接觸的區(qū)域，以限制鋰離子的運(yùn)動(dòng)。從而鋰金屬電池抑制了支狀結(jié)晶的生長(zhǎng)，并提高了能量密度。另外，鋰金屬電池具有的間隔壁結(jié)構(gòu)減少了采用液體電解質(zhì)時(shí)的滲漏，并有效的克服了作用于電池上的壓力。
文檔編號(hào)H01M10/40GK101283475SQ200680033837
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者姜鳳燮, 姜榮柱 申請(qǐng)人:姜鳳燮;姜榮柱