金屬鋰極板的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種極板，特別是指一種具有閘層的金屬鋰極板。
【背景技術】
[0002]與現(xiàn)有的非鋰系統(tǒng)的電池系統(tǒng)相比較，以鋰為活性材料的電池系統(tǒng)具有工作電壓高(3.6 V)、能量密度大(120 Wh/kg)、重量輕、壽命長及環(huán)保性佳等優(yōu)點，在以鋰為活性材料的電池系統(tǒng)中，充電式金屬鋰電池是最早發(fā)展的鋰電池系統(tǒng)，雖然具有很高的能量密度，但由于金屬鋰的化性很強、易與電解質(zhì)反應，造成金屬鋰電池有不穩(wěn)定和安全性不佳的問題?；诎踩缘目紤]，充電式鋰電池的發(fā)展逐漸由充電式金屬鋰電池轉(zhuǎn)成充電式鋰合金電池與充電式離子鋰電池兩大系統(tǒng)，然而，因液態(tài)的充電式離子鋰電池中采用含有有機溶劑的電解液，易揮發(fā)、燃燒，且又因為電池封裝無法完全密封，因此有電解液漏液的可能，在安全性上也造成相當大的疑慮。近年來，主要針對上述鋰電池的安全性考慮，多改以研發(fā)較為新型的充電式鋰高分子電池的，其以高分子電解質(zhì)取代原本有機溶劑以做為電池內(nèi)的電解液，大大提高了鋰電池在使用上的安全性。
[0003]不過，近年來卻因為許多可攜式的智能型電子產(chǎn)品不斷地問世，每個時代的產(chǎn)品為了求新求變，在產(chǎn)品的性能表現(xiàn)上不斷地提升，因此對于電池系統(tǒng)而言，除了過去對于安全性的高度要求外，為了使電子產(chǎn)品能具有更長的操作時間，電池系統(tǒng)的使用壽命又再次成為電池系統(tǒng)研發(fā)的重要議題，故許多電池系統(tǒng)的研究方向，由追求電池系統(tǒng)的安全性轉(zhuǎn)向電池系統(tǒng)的壽命。而由過去以鋰電池系統(tǒng)的發(fā)展進程來說，雖然金屬鋰電池系統(tǒng)在過去因為安全性的因素而被中斷，但不可否認的是，由于金屬鋰電池系統(tǒng)的活性材料直接采用金屬鋰，故與其他離子鋰電池系統(tǒng)或鋰高分子電池系統(tǒng)相較，金屬鋰電池系統(tǒng)所提供的能量密度大于這些鋰化合物的電池系統(tǒng)，但不容否認的是，金屬鋰為一種非?；顫姷慕饘?，若不在適當?shù)膬Υ姝h(huán)境或是良好的操作環(huán)境下，金屬鋰本身相當容易發(fā)生激烈的氧化還原反應。也因此，在實際的應用上，金屬鋰電池若能有效地克服其使用時的安全性問題并降低其在制作或儲存時的困難，其實是非常符合現(xiàn)行可攜式的智能型電子產(chǎn)品需求的。
[0004]有鑒于此，本發(fā)明遂針對上述現(xiàn)有技術的缺失，提出一種以金屬鋰為材料的極板，以有效克服上述的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在提供一種金屬鋰極板，其利用集電層、閘層中的至少之一以密封金屬鋰層，使金屬鋰可直接制作成類似于一般鋰化合物所構成的極板結構，故僅需應用在現(xiàn)行的工藝技術即可制作出能量密度高于一般鋰化合物的電池系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的另一目的在提供一種金屬鋰極板，其中的閘層可在介質(zhì)作用下與離子鋰及/或金屬鋰層發(fā)生合金化反應，故可讓閘層的結構逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘；嚭辖鹞镔|(zhì)的型態(tài)并且使之整體體積膨脹(因為堆積不緊密產(chǎn)生大量孔隙)，并提供離子鋰與金屬鋰層進行電化學反應的路徑。
[0007]本發(fā)明的又一目的在提供一種金屬鋰極板，其可將一般的正極極板直接組裝于金屬鋰極板以構成一含有金屬鋰的供電單元。
[0008]為達上述之目的，本發(fā)明提供一種金屬鋰極板，所述的金屬鋰極板包括一金屬鋰層、多個閘層及一集電層，集電層具有多個孔洞，各孔洞具有至少一開口，這些閘層對應設置于這些孔洞，金屬鋰層系與這些閘層對應設置。本發(fā)明所公開之金屬鋰極板中的閘層可在介質(zhì)作用下與離子鋰及/或金屬鋰層發(fā)生合金化反應，故可讓閘層的閘層的原結構逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘；嚭辖鹞镔|(zhì)的型態(tài)并且使之整體體積膨脹(因為堆積不緊密產(chǎn)生大量孔隙)，并提供離子鋰與金屬鋰層進行電化學反應的路徑。另外，本發(fā)明所公開的金屬鋰極板更可與一般的正極極板直接組裝，以構成具有高能量密度的供電單元。
[0009]其中，該閘層覆蓋該開口。
[0010]其中，該閘層覆蓋該開口且填入該孔洞。
[0011]其中，該閘層填入該孔洞。
[0012]其中，該閘層不完全覆蓋該集電層。
[0013]其中，該孔洞為貫通孔及/或盲孔。
[0014]其中，該金屬鋰層覆蓋該開口。
[0015]其中，該金屬鋰層覆蓋該開口且填入該孔洞。
[0016]其中，該金屬鋰層填入該孔洞。
[0017]其中，該金屬鋰層完全覆蓋該集電層。
[0018]其中，該金屬鋰層與這些閘層相鄰設置，且該閘層與該金屬鋰層接觸或未接觸。
[0019]其中，該金屬鋰層與這些閘層彼此遠離設置。
[0020]其中，其還包括:
一離子導通層，其鄰設于該金屬鋰層，且該離子導通層不與該金屬鋰層發(fā)生合金化反應。
[0021]其中，該離子導通層接觸至少局部的該集電層及/或局部的該金屬鋰層及/或局部的該閘層。
[0022]其中，該離子導通層還具有電子導通性。
[0023]其中，該離子導通層的結構型態(tài)為多孔層狀結構、網(wǎng)狀結構、柱狀結構或上述結構的組合。
[0024]其中，該離子導通層還包括陶瓷絕緣材料、高分子材料、液態(tài)電解質(zhì)、膠態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)離子導電材料或上述材料的組合。
[0025]其中，陶瓷絕緣材料包含氧化金屬、硫化金屬、氮化金屬、磷酸化金屬或酸化金屬。
[0026]其中，該導電材料包括金屬材料、合金材料、導電碳材料或上述的組合，且導電碳材料包括碳黑、硬碳、納米碳管、石墨、石墨烯或其他導電碳。
[0027]其中，該集電層的材料選自銅、鎳、鐵、鋅、金、銀、鈦或不與鋰發(fā)生合金化反應的材料。
[0028]其中，該閘層包含至少一可形成鋰合金的材料，其包含金屬材料及/或類金屬材料，且該可形成鋰合金的材料與一介質(zhì)所提供的離子鋰發(fā)生合金化反應，且該可形成鋰合金的材料選自于鋁、錫、硅、鋰合金、錫合金硅合金或上述材料的組合。
[0029]其中，該介質(zhì)選自于液態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、膠態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)離子或上述材料的組合。
[0030]其中，該閘層中的該可形成鋰合金之材料為非合金態(tài)或合金態(tài)，且該可形成鋰合金之材料的含量不小于0.1%。
[0031]其中，其還包含:
至少一絕緣區(qū)域，位于該集電層不與該金屬鋰層相鄰的一側的外表面，且該絕緣區(qū)域為電性絕緣層，或為經(jīng)過表面處理的電性絕緣表面。
[0032]以下通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發(fā)明的目的、技術內(nèi)容、特點及其所達成的功效。
【附圖說明】
[0033]圖1A:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0034]圖1B:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0035]圖1C:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0036]圖1D:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0037]圖2A:圖1A中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0038]圖2B:圖1B中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0039]圖2C:圖1C中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0040]圖2D:圖1D中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0041]圖3A:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0042]圖3B:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0043]圖3C:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0044]圖3D:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖，其公開一種離子導通層的狀態(tài)。
[0045]圖4A:圖3A中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0046]圖4B:圖3B中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0047]圖4C:圖3C中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0048]圖4D:圖3D中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0049]圖5A:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0050]圖5B:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0051]圖5C:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖。
[0052]圖f5D:本發(fā)明公開的金屬鋰極板的另一種實施狀態(tài)的結構示意圖，其公開一種離子導通層的態(tài)樣。
[0053]圖6A:圖5A中閘層經(jīng)過合金化反應后的結構示意圖。
[0054]圖6B:圖5B中閘層經(jīng)過合金化反