(57)【要約】      （修正有）【課題】安全性を大きく改善できるリチウム金属電極および関連するリチウム金属電池を提供する。【解決手段】リチウム金属電極１０は、集電体１０２、リチウム金属層１０６、絶縁フレーム１０４、多孔性電気絶縁層１１０、およびイオン拡散層１０８を備える。集電体１０２は少なくとも１つのウェルＷを有する。リチウム金属層１０６は、ウェルＷの底面上に配置される。絶縁フレーム１０４は、ウェルＷの開口部だけに配置される。絶縁フレーム１０４は、開口部の外側に放射状に延在して、集電体１０２の上面を部分的に覆い、ウェルＷの内側の側壁に向かって垂直に延在する。リチウムデンドライトは、大部分ウェルＷ内に析出し、阻止層のために上方に析出しない。したがって、リチウムデンドライトは電気絶縁体を貫通せず、その結果、リチウム金属電池の安全性を大きく改善できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側の側壁および底面を有する少なくとも１つのウェルを有する集電体と、
前記ウェルの前記底面上にあるとともに当該ウェルの前記内側の側壁を部分的に覆う、所定の厚さを有する少なくとも１つのリチウム金属層と、
前記ウェルの開口部の周囲のみにあって当該開口部の外側に放射状に延在するとともに前記集電体の上面を部分的に覆い、当該ウェルの前記内側の側壁に向かって垂直方向に延在するとともに前記リチウム金属層の上面と接触することによって、前記ウェルの前記内側の側壁が電気的に絶縁されるように完全に覆われる少なくとも１つの絶縁フレームと、
前記ウェルの前記開口部を覆う、前記ウェルの直径よりも小さい直径の複数のスルーホールを有する多孔性電気絶縁層と、
前記ウェルの内部で、前記多孔性電気絶縁層および前記複数のスルーホールの下に完全にあるように配置された、多孔性を有する少なくとも１つのイオン拡散層と、
を備えたことを特徴とするリチウム金属電極。
【請求項２】
前記集電体の厚さは１６−５０ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項３】
前記ウェルの深さは１５−４０ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項４】
前記ウェルを除く前記集電体の厚さは１−１０ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項５】
前記少なくとも１つの絶縁フレームは単層構造または多層構造であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項６】
前記少なくとも１つの絶縁フレームの材料は、電気的に絶縁された材料、電気的に絶縁されたコーティングを有する材料、または電気的に絶縁された材料で完全に覆われた材料からなることを特徴とする、請求項５に記載のリチウム金属電極。
【請求項７】
前記多孔性電気絶縁層は単層構造または多層構造であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項８】
前記多孔性電気絶縁層は、電気的に絶縁された材料、電気的に絶縁されたコーティングを有する材料、または電気的に絶縁された材料で完全に覆われた材料からなること特徴とする、請求項７に記載のリチウム金属電極。
【請求項９】
前記多孔性電気絶縁層の開口比は２５−８０％の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１０】
前記複数のスルーホールの直径は一様である、または、一様ではないことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１１】
前記複数のスルーホールの直径は１ミクロン以下であることを特徴とする、請求項１０に記載のリチウム金属電極。
【請求項１２】
前記多孔性電気絶縁層の厚さは１−２５ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１３】
前記多孔性電気絶縁層は前記少なくとも１つの絶縁フレームの外側に放射状にさらに延在し、当該少なくとも１つの絶縁フレームを少なくとも部分的に覆うことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１４】
前記集電体はさらに第１の密着層によって前記少なくとも１つの絶縁フレームに密着することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１５】
前記第１の密着層の厚さは１−３０ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１４に記載のリチウム金属電極。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの絶縁フレームはさらに第２の密着層によって前記多孔性電気絶縁層に密着することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１７】
前記第２の密着層の厚さは１−３０ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１６に記載のリチウム金属電極。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのイオン拡散層の材料は、重合体材料、セラミック材料、ガラス材料、繊維材料、およびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのイオン拡散層は、アニオンおよび／またはカチオンを運ぶ帯電面を有するようにさらに処理されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのリチウム金属層の厚さは０．３−５ミクロンの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム金属電極。
【請求項２１】
リチウム金属電極であって、
内側の側壁および底面を有する少なくとも１つのウェルを有する第１の集電体と、
前記ウェルの前記底面上にあるとともに当該ウェルの前記内側の側壁を部分的に覆う、所定の厚さを有する少なくとも１つのリチウム金属層と、
前記ウェルの開口部の周囲のみにあって当該開口部の外側に放射状に延在するとともに前記第１の集電体の上面を部分的に覆い、当該ウェルの前記内側の側壁に向かって垂直方向に延在するとともに前記リチウム金属層の上面と接触することによって、前記ウェルの前記内側の側壁が電気的に絶縁されるように完全に覆われる少なくとも１つの絶縁フレームと、
前記ウェルの前記開口部を覆う、前記ウェルの直径よりも小さい直径の複数のスルーホールを有する多孔性電気絶縁層と、
前記ウェルの内部で、前記多孔性電気絶縁層および前記複数のスルーホールの下に完全にあるように配置された、多孔性を有する少なくとも１つのイオン拡散層と
を有するリチウム金属電極と、
前記リチウム金属電極に対応して配置され、第２の集電体および正極活物質層を有する正極電極と、
前記正極電極と前記リチウム金属電極の間に配置され、少なくとも１つの電解質を有する電気絶縁体と、
密封のため、前記リチウム金属電極の前記第１の集電体と前記正極電極の前記第２の集電体との双方の内周のみに配置された密封フレームと、
を備えたことを特徴とするリチウム金属電池。
【請求項２２】
前記電気絶縁体は、イオン導電性であり、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、セラミックセパレータ、または固体電解質であることを特徴とする、請求項２１に記載のリチウム金属電池。
【請求項２３】
前記密封フレームの大部分は、前記リチウム金属電極および／または前記正極電極の周囲内に直交して配置されることを特徴とする、請求項２１に記載のリチウム金属電池。
【請求項２４】
リチウム金属電極であって、
内側の側壁および底面を有する少なくとも１つのウェルを有する第１の集電体と、
前記ウェルの前記底面上にあるとともに当該ウェルの前記内側の側壁を部分的に覆う、所定の厚さを有する少なくとも１つのリチウム金属層と、
前記ウェルの開口部の周囲のみにあって当該開口部の外側に放射状に延在するとともに前記第１の集電体の上面を部分的に覆い、当該ウェルの前記内側の側壁に向かって垂直方向に延在するとともに前記リチウム金属層の上面と接触することによって、前記ウェルの前記内側の側壁が電気的に絶縁されるように完全に覆われる少なくとも１つの絶縁フレームと、
前記ウェルの前記開口部を覆う、前記ウェルの直径よりも小さい直径の複数のスルーホールを有する多孔性電気絶縁層でと、
前記ウェルの内部で、前記多孔性電気絶縁層および前記複数のスルーホールの下に完全にあるように配置された、多孔性を有する少なくとも１つのイオン拡散層と
を有するリチウム金属電極と、
前記リチウム金属電極に対応して配置され、第２の集電体および正極活物質層を有する正極電極と、
前記正極電極と前記リチウム金属電極の間に配置され、少なくとも１つの電解質を有する電気絶縁体と、
前記少なくとも１つの絶縁フレームに対応して配置され、密封のために当該少なくとも１つの絶縁フレームに密着する密封フレームと、
を備えたことを特徴とするリチウム金属電池。
【請求項２５】
前記電気絶縁体は、イオン導電性であり、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、セラミックセパレータ、または固体電解質であることを特徴とする、請求項２４に記載のリチウム金属電池。
【請求項２６】
前記密封フレームの大部分は、さらに第３の密着層によって前記少なくとも１つの絶縁フレームに密着することを特徴とする、請求項２４に記載のリチウム金属電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電極に関し、詳細にはリチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のリチウム以外の電池システムと比較して、リチウム電池システムには、高い動作電圧（最大３．６Ｖ）、高いエネルギー密度（最大１２０Ｗｈ／ｋｇ）、軽量、より長いサイクル寿命、環境に優しいなどの利点がある。
リチウム電池システムの研究の歴史によれば、最も早く開発されたリチウム電池は、再充電可能なリチウム金属電池であり、この電池はかなり高いエネルギー密度を有するが、その一方で、電解質に対する化学反応能力が高いために、安定性および安全性に関して深刻な問題がある。リチウム金属電池システムの安全性の問題を考慮すれば、再充電可能なリチウム電池の開発は、再充電可能なリチウム合金電池システムおよび再充電可能なリチウムイオン電池システムに徐々に集中している。
【０００３】
電池システムの性能に関しては、安全性の要件を除き、電池システムの容量が機器の動作継続期間をサポートするのに十分であることを保証することが重要である。その結果として、電池システムの容量は、再び重要な開発問題になっている。過去には、リチウム金属電池システムの開発は、その安全性の問題のために中断された。リチウムイオンシステムおよびリチウム重合体システムと比較して、リチウム金属システムのエネルギー密度は、他のシステムよりもはるかに高い。しかしながら、リチウム金属が高い化学的活性を有するので、リチウム金属が適切な条件の下で保存されない、または動作させられない場合、非常に激しい酸化還元反応が発生する。事実上、リチウム金属電池システムは、リチウム金属の安全性、加工、および保存の問題を克服できる場合にのみ現在のスマート電気機器に好適である。
【０００４】
しかしながら、リチウムイオン電池システムの電解質は、有機溶媒を含む液体であり、その結果、蒸発点火問題が必然的に発生する。さらに、電解質は電池の密封が不十分なために漏れて、これが安全性の問題を引き起こす。近年、安全性を保証するために、再充電可能なリチウム重合体電池システムが開発された。リチウム電池システムの安全性を改善するために、当初の有機溶媒は重合体電解質に置き換えられた。
【０００５】
したがって、上記の問題を克服するためにリチウム金属電極が提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。リチウム金属電極の多孔性電気絶縁層の絶縁層が、リチウムデンドライト析出に特有の領域を提供できる。
【０００７】
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。多孔性電気絶縁層は、阻止層の構造強度のために、充電中にリチウムデンドライトが析出する高さを効率的に抑制する。リチウムデンドライトは主に水平方向に析出し、その結果、多孔性電気絶縁層によって形成された特有の領域は、リチウムデンドライト析出のために非常に効率的に使用される。したがって、リチウムデンドライトは電気絶縁体を貫通せずに、電池の内部短絡を回避する。その一方で、リチウムデンドライトは、垂直方向に向かうのではなく放射方向に向かって析出し、その結果、電池の厚さが通常状態から極端に外れて確認されることがない。
【０００８】
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。ウェルの内部に配置されたイオン拡散層は多孔性であり、粒子および／または繊維から作られる。リチウムデンドライトはイオン拡散層の小孔の内部で析出し、剥離する。析出の間、リチウムデンドライトはイオン拡散層の粒子および／または繊維に付着して、固体電解質界面（ｓｏｌｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ＳＥＩ）の強度を高める。ＳＥＩの厚さ（およそ１０〜５０ナノメートル）と比較して、リチウムデンドライトの析出／剥離の体積変化（１５〜２０ミクロン）はあまりにも大きすぎ、ＳＥＩは、イオン拡散層からの支持を提供することがなければ、リチウムデンドライトの析出および／または剥離の間にひどく損傷する。粒子および／または繊維を有するイオン拡散層は、ＳＥＩのための支持を提供して、電池の容量損失を低減でき、特定の条件の下で、ＳＥＩを形成する反応と反応さえできる。
【０００９】
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池を提供することが本発明の目的である。イオン拡散層の粒子および／または繊維によって生成された面および／または小孔は、液体および／またはゲルの電解質のための分岐の役割を果たすことが可能であり、その結果、リチウムデンドライトの析出／剥離は、電解質の連続界面にとってより効率的になる可能性がある。また、リチウムデンドライトと電解質の間の界面は、完全な状態を保つことが可能であり、その結果、界面の抵抗を低減でき、界面の過電圧を制御することによってリチウムデンドライト析出の一様性を現すことが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、集電体、少なくとも１つのリチウム金属層、少なくとも１つの絶縁フレーム、多孔性電気絶縁層、およびイオン拡散層を備えるリチウム金属電極を開示している。集電体は、内側の側壁および底面を有する少なくとも１つのウェルを有し、底面上にリチウム金属層が配置される。絶縁フレームは、ウェルの開口部の周囲だけに配置される。絶縁フレームは、開口部の外側に放射状に延在して、集電体の上面を部分的に覆い、ウェルの内側の側壁に向かって垂直方向に延在する。絶縁フレームは、リチウム金属層の上面と接触し、その結果、ウェルの内側の側壁は、電気的に絶縁されるように完全に覆われる。多孔性電気絶縁層はウェルの開口部を覆い、複数のスルーホールを有する。多孔性イオン拡散層はウェルの内部に配置され、完全に多孔性電気絶縁層およびスルーホールの下にある。スルーホールの直径は、ウェルの直径よりも小さい。
【００１１】
本発明は、リチウム金属電極、正極電極、電気絶縁体、および密封フレームを備えるリチウム金属電池を開示し、そこでは、リチウム金属電極は、集電体、少なくとも１つのリチウム金属層、少なくとも１つの絶縁フレーム、多孔性電気絶縁層、およびイオン拡散層を備える。集電体は、内側の側壁および底面を有する少なくとも１つのウェルを有し、底面上にリチウム金属層が配置される。絶縁フレームは、ウェルの開口部の周囲だけに配置される。絶縁フレームは、開口部の外側に放射状に延在して、集電体の上面を部分的に覆い、ウェルの内側の側壁に向かって垂直方向に延在する。絶縁フレームは、リチウム金属層の上面と接触し、その結果、ウェルの内側の側壁は、電気的に絶縁されるように完全に覆われる。多孔性電気絶縁層はウェルの開口部を覆い、複数のスルーホールを有する。多孔性イオン拡散層はウェルの内部に配置され、完全に多孔性電気絶縁層およびスルーホールの下にある。スルーホールの直径は、ウェルの直径よりも小さい。密封フレームは、密封するために、リチウム金属電極の第１の集電体と正極電極の第２の集電体の両方だけの内周上に配置される。
【００１２】
本発明は、リチウム金属電極、正極電極、電気絶縁体、および密封フレームを備えるリチウム金属電池を開示し、そこでは、リチウム金属電極は、集電体、少なくとも１つのリチウム金属層、少なくとも１つの絶縁フレーム、多孔性電気絶縁層、およびイオン拡散層を備える。集電体は、内側の側壁および底面を有する少なくとも１つのウェルを有し、底面上にリチウム金属層が配置される。絶縁フレームは、ウェルの開口部の周囲だけに配置される。絶縁フレームは、開口部の外側に放射状に延在して、集電体の上面を部分的に覆い、ウェルの内側の側壁に向かって垂直方向に延在する。絶縁フレームは、リチウム金属層の上面と接触し、その結果、ウェルの内側の側壁は、電気的に絶縁されるように完全に覆われる。多孔性電気絶縁層はウェルの開口部を覆い、複数のスルーホールを有する。多孔性イオン拡散層はウェルの内部に配置され、完全に多孔性電気絶縁層およびスルーホールの下にある。スルーホールの直径は、ウェルの直径よりも小さい。密封フレームは、絶縁フレームに対応して配置され、その結果、電池は密封フレームと絶縁フレームの両方によって密封できる。
【００１３】
リチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池によれば、リチウムデンドライトは、集電体のウェル、絶縁フレーム、多孔性絶縁層、ならびにイオン拡散層によって画成された特有の領域内部だけに析出する。したがって、リチウムデンドライトは、電池の電気絶縁体を貫通しない。電池の内部短絡は発生せず、電池の安全性を改善できる。
【００１４】
本発明の適用可能性の範囲が、本明細書で以下に提示する詳細な説明からさらに明らかになるであろう。しかしながら、本発明の趣旨および範囲に入るさまざまな変更および修正がこの詳細な説明から当業者に明らかになるので、詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示のためだけに提示されていることを理解されたい。
【００１５】
本発明は、本明細書で以下に例示のためだけに提示される詳細な説明から、より完全に理解できるが、本発明を制限しない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。
【図２】本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。
【図３】本発明のリチウム金属電極の横断面図を示す。
【図４】本発明のリチウム金属電池の横断面図を示す。
【図５】本発明のリチウム金属電池の横断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、リチウム金属電極１０は、集電体１０２、少なくとも１つのリチウム金属層１０６、少なくとも１つの絶縁フレーム１０４、多孔性電気絶縁層１１０、およびイオン拡散層１０８を備える。
集電体１０２は、内側の側壁、およびリチウム金属層１０６が配置される底面を有する、少なくとも１つのウェルＷを有する。多孔性電気絶縁層１１０は、ウェルＷの開口部を覆い、複数のスルーホールＨを有する。多孔性イオン拡散層１０８はウェルＷの内部に配置され、完全に多孔性電気絶縁層１１０およびスルーホールＨの下にある。スルーホールＨの直径は、ウェルＷの直径よりも小さい。
【００１８】
リチウム金属層１０６の厚さのために、さらに、ウェルＷの底面はリチウム金属層１０６によって覆われ、ウェルＷの内側の側壁のいくつかの部分はまた、リチウム金属層１０６によって覆われる。ウェルＷの内側の側壁の残りは、絶縁フレーム１０４によって覆われる。絶縁フレーム１０４は、ウェルＷの上面と直接接触する。それに応じて、ウェルＷの内側の側壁全体および底面はすべて覆われる。ウェルＷの面のどの部分も露出しないので、リチウムイオンが析出および／または剥離するとき、リチウムデンドライトの大部分は、リチウム金属層１０６の面上に形成されることが可能であり、リチウムデンドライトの残りは、リチウム金属層１０６のすぐ近くに形成される。
ウェルＷの面のどこかの部分が露出した場合、リチウムデンドライトは、リチウムの反応電圧により近い反応電圧を有する集電体１０２のウェルＷの露出した面上に直接形成し、循環した後に、より多くのリチウムイオンが使い尽くされる。イオン拡散層１０８は、集電体１０２のウェルＷの内部に配置され、リチウム金属層１０６に隣接する。イオン拡散層１０８は、リチウム金属層１０６と直接または間接的に接触してもよい、または特定の条件の下では、リチウム金属層１０６と全く接触さえしない。
イオン拡散層１０８は、完全にウェルＷの内部に配置される。イオン拡散層１０８は、全部がウェルＷの内部に位置決めされ、多孔性電気絶縁層１１０の中に入り込まない。すなわち、イオン拡散層１０８は、多孔性電気絶縁層１１０のスルーホールＨの中に位置しない。
【００１９】
図１に示すように、多孔性電気絶縁層１１０のスルーホールＨは一様である。すなわち、多孔性電気絶縁層１１０のすべてのスルーホールＨの直径は同一である。対照的に、図２に示すように、多孔性電気絶縁層１１０のスルーホールＨは一様ではない。すなわち、多孔性電気絶縁層１１０のスルーホールＨの直径は同一ではない。集電体１０２のウェルＷに関しては、集電体１０２は２つ以上のウェルＷを有してもよい。集電体１０２のウェルＷは一様である、または一様ではない。
事実上、一様なスルーホールＨを有する多孔性電気絶縁層１１０は、１つだけのウェルＷを有する集電体１０２と、一様なサイズのウェルＷを有する集電体１０２と、または一様ではないサイズのウェルＷを有する集電体１０２と調和できる。対照的に、一様ではないスルーホールＨを有する多孔性電気絶縁層１１０は、セル設計の異なる要件に応じて、上述のすべてのタイプの集電体１０２と調和できる。上述のどのような種類の組合せであっても。スルーホールＨの直径はウェルＷの直径よりも小さくなければならない。より正確には、スルーホールＨの直径は１ミクロン以下であり、ウェルＷの直径は５０ミクロン以上である。ウェルＷの直径は、主に電池の活性範囲に依存する。さらに、ウェルＷの深さは１５〜４０ミクロンの範囲である。
【００２０】
多孔性電気絶縁層１１０の開口は２５〜８０％の範囲である。集電体１０２の開口は４０〜９９．５％の範囲であり、そこでは、より狭い境界を有するリチウム金属電極（図示せず）の場合に、より大きな開口が現れることが可能である。多孔性電気絶縁層１１０の厚さは１〜２３ミクロンの範囲であり、集電体１０２の厚さは１６〜５０ミクロンの範囲である。集電体１０２の厚さおよびウェルＷの深さに従って、ウェルＷを除外する集電体１０２の厚さは１〜１０ミクロンの範囲である。
【００２１】
集電体１０２の材料は、銅、ニッケル、鋼鉄、またはそれらの任意の組合せなどの金属または任意の他の導電材料とすることが可能である。容量および設計の要件に基づき、リチウム金属層１０６の厚さは０．３〜５ミクロンの範囲である。多孔性電気絶縁層１１０の外面は、非導電材料から作られる。多孔性電気絶縁層１１０が単層構造であるとき、絶縁重合体材料、絶縁セラミック材料、絶縁ガラス材料、絶縁ガラス繊維材料、およびそれらの任意の組合せなどの、多孔性電気絶縁層１１０の材料は絶縁されている。
絶縁重合体材料は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリアクリレート、エポキシ樹脂、またはシリコーンを含む。絶縁ガラス繊維材料は、ＦＲ４−クラスのエポキシガラス繊維材料を含む。多孔性電気絶縁層１１０は、多層構造であるとき、上述の材料の他に、電気的に絶縁された材料、電気的に絶縁されたコーティングを有する任意の材料、または電気的に絶縁された材料によって完全に覆われた任意の材料から作られる。
さらに、イオン拡散層１０８は多孔性であり、重合体材料、セラミック材料、ガラス材料、繊維材料、およびそれらの任意の組合せから作られることが可能である。イオン拡散層１０８の小孔は、粒子スタッキングおよび／または繊維交差によって作られてもよい。粒子は、セラミック粒子、重合体粒子、および／またはガラス粒子を含む。繊維は、重合体繊維および／またはガラス繊維を含む。イオン拡散層１０８の面は、アニオンおよび／またはカチオンを運ぶ帯電面を生成するようにさらに処理されてもよい。たとえば、イオン拡散層１０８のカチオンで帯電した面は、電気二重層効果を低減でき、その結果、充電中のリチウムイオン移動の偏りを低減できる。イオン拡散層１０８のアニオンで帯電した面は、リチウムイオンを分布させるのに役立つ可能性がある。
【００２２】
図３には、絶縁フレーム１０４は、多層構造として示されている。絶縁フレーム１０４は、密着させるための第１の密着層ＡＤ１を有する。第１の密着層ＡＤ１の材料は、熱硬化性重合体、熱可塑性重合体、およびそれらの組合せからなるグループから選択され、そこでは、熱硬化性重合体は、シリコーン、エポキシ樹脂、アクリル酸樹脂、およびそれらの任意の組合せからなるグループから選択され、熱可塑性重合体は、ポリエチレン、ポリプロピレン、熱可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリウレタン、およびそれらの任意の組合せからなるグループから選択される。
第１の密着層ＡＤ１の材料は、シリコーン、ポリエチレン、ポリプロピレン、熱可塑性ポリイミドなどのような電解質不活性材料から選択される方がさらによい。したがって、第１の密着層ＡＤ１は電解質と、具体的には、液相電解質および／またはゲル相電解質と反応せず、その結果、第１の密着層ＡＤ１の密着能力は低減しない。さらに、第２の密着層ＡＤ２は、絶縁フレーム１０４（および／または集電体１０２、図示せず）および多孔性電気絶縁層１１０を密着させるように加えられる。
第２の密着層ＡＤ２の材料は、第１の密着層ＡＤ１に関して言及した材料から選択されても、されなくてもよい。同様に、第２の密着層ＡＤ２の材料は、電解質と、具体的には、液相電解質および／またはゲル相電解質と反応しない材料を選ぶ方がさらによく、その結果、第２の密着層ＡＤ２は溶解しない、膨潤しない、および／または劣化しない。電極をより薄くするために、第１の密着層ＡＤ１の厚さは１〜３０ミクロンの範囲である方がさらによく、第２の密着層ＡＤ２の厚さは、同様に１〜３０ミクロンの範囲である方がさらによい。それに応じて、リチウム金属電極１０内部でのリチウムイオンの移動距離は低減されず、その結果、電池の容量は減少しない。
第１の密着層ＡＤ１と第２の密着層ＡＤ２の両方が図３に示されているが、実際には、第１の密着層ＡＤ１および第２の密着層ＡＤ２を加えることは、異なる要件に応じて選択できる。
【００２３】
図４には、リチウム金属電池が示されている。リチウム金属電池５０ａは、リチウム金属電極１０、正極電極３０、電気絶縁体２０、および密封フレーム４０を備える。第２の集電体３０２および正極活物質層３０４を備える正極電極３０は、リチウム金属電極１０に対応して配置される。電気絶縁体２０は、正極電極３０とリチウム金属電極１０の間に配置される。密封フレーム４０は、密封するために、リチウム金属電極１０の第１の集電体１０２と正極電極３０の第２の集電体３０２の両方だけの内周上に配置される。密封フレーム４０の大部分は、リチウム金属電極１０および／または正極電極３０の周囲の内部に直交して配置される。すなわち、密封フレーム４０の大部分は、リチウム金属電極１０ｂの第１の集電体１０２と正極電極３０の第２の集電体３０２の両方の外周に押し出されるのではなく、リチウム金属電極１０２の内面上に、および正極電極３０２の内面上に配置される。
【００２４】
当然のことながら、上述は主に密封フレーム４０の大部分に関する、すなわち、第１の集電体１０２および第２の集電体３０２が同じ範囲を有しない場合などの特定の場合には、密封フレーム４０のいくつかの部分は、リチウム金属電極１０の第１の集電体１０２と正極電極３０の第２の集電体３０２の両方の外周に向かって押し出される。
【００２５】
図５には、リチウム金属電池が示されている。リチウム金属電池５０ｂは、リチウム金属電極１０、正極電極３０、電気絶縁体２０、および密封フレーム４０を備える。第２の集電体３０２および正極活物質層３０４を備える正極電極３０は、リチウム金属電極１０に対応して配置される。
電気絶縁体２０は、正極電極３０とリチウム金属電極１０の間に配置される。密封フレーム４０は、絶縁フレーム１０４に対応して配置され、リチウム金属電池５０ｂを密封するために絶縁フレーム１０４に密着する。より正確には、各ウェルＷは密封フレーム４０によって密封されている。場合によっては、密封フレーム４０は、さらに第３の密着層（図示せず）によって絶縁フレーム１０４に密着する。
【００２６】
上述の電気絶縁体２０はイオン導電性であり、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、セラミックセパレータ、または固体電解質とすることが可能である。リチウム金属電池５０ａおよび５０ｂの電解質システムが、液相電解質、ゲル相電解質、またはハイブリッド相電解質を有するとき、電気絶縁体２０は、重合体セパレータ、コーティングを有する重合体セパレータ、および／またはセラミックセパレータから選択できる。リチウム金属電池５０ａおよび５０ｂの電解質が固相電解質であるとき、電気絶縁体２０は固体電解質とすることが可能である。
【００２７】
本発明の仕組みが、本明細書で以下に開示される。多孔性電気絶縁層は、集電体上に配置される。リチウム金属層は、集電体のウェルの底面上に配置される。イオン拡散層は、ウェルの内部に配置される。それに応じて、電解質からのリチウムイオンは、多孔性電気絶縁層のスルーホールを通って移動し、集電体のウェルの内部で、液体電解質および／またはゲル電解質で湿った、または染色されたイオン拡散層に接近する。
リチウムイオンは、イオン拡散層の粒子および／または繊維によって形成された小孔を通って転送されることが可能である。場合によっては、リチウムイオンはデンドライトとして析出する、またはイオン拡散層の外面上にＳＥＩを形成する。リチウムデンドライトはイオン拡散層の小孔の内部で析出し、剥離する。析出の間、リチウムデンドライトはイオン拡散層の粒子および／または繊維に付着して、固体電解質界面（ＳＥＩ）の強度を、特に帯電面を有するイオン拡散層の強度を高める。すなわち、ＳＥＩの表面張力は、イオン拡散層にうまく付着することによって解放され、その結果、ＳＥＩははるかに安定する。
ＳＥＩの厚さ（およそ１０〜５０ナノメートル）と比較して、リチウムデンドライトの析出／剥離の体積変化（１５〜２０ミクロン）はあまりにも大きすぎ、ＳＥＩは、イオン拡散層からの支持を提供することがなければ、リチウムデンドライトの析出および／または剥離の間にひどく損傷する。粒子および／または繊維を有するイオン拡散層は、ＳＥＩのための支持を提供して、電池の容量損失を低減でき、特定の条件の下で、ＳＥＩを形成する反応と反応さえできる。
【００２８】
集電体のウェル、および多孔性電気絶縁層は、多孔性電気絶縁層の構造強度のために、充電中にリチウムデンドライトの析出の高さを効率的に抑制する。リチウムデンドライトは主に水平方向に析出し、その結果、ウェル内部の特有の領域はリチウムデンドライト析出のために非常に効率的に使用される。したがって、リチウムデンドライトは電気絶縁体を貫通せずに、電池の内部短絡を回避する。その一方で、リチウムデンドライトは、垂直方向に向かうのではなく放射方向に向かって析出し、その結果、電池の厚さが通常状態から極端に外れて確認されることがない。
【００２９】
イオン拡散層の粒子および／または繊維によって生成された面および／または小孔は、液体および／またはゲルの電解質のための分岐の役割を果たすことが可能であり、その結果、リチウムデンドライトの析出／剥離は、電解質の連続界面にとってより効率的になる可能性がある。また、リチウムデンドライトと電解質の間の界面は、完全な状態を保つことが可能であり、その結果、界面の抵抗を低減でき、界面の過電圧を制御することによってリチウムデンドライト析出の一様性を現すことが可能である。
【００３０】
上記で示したリチウム金属電池の２つの実施形態は、主にパッケージモジュールのために異なる。一方は、図４に示すように、電池全体の周囲を密封するためにあり、他方は、図５に示すように、各ウェルを個々に密封するためにある。
電池５０ａおよび５０ｂの両方の電気的性能および安全性能は、異なる方法で包まれていてさえ、良好に保たれる。これら２つの実施形態の間の最も際だった特徴は、周囲だけを密封された実施形態がよりよい屈曲能力を有することである。各ウェルを個々に密封された実施形態は、より剛性があり、可撓性は劣る。
【００３１】
その結果として、絶縁層と阻止層の両方は、リチウムデンドライトの形成方向を抑制するのに十分な構造強度を有し、その結果、絶縁層および阻止層のヤング率は十分高くなければならない。さらに、リチウム金属電池は、電池がその周囲だけが密封されるときに、より可撓性があるようになる。対照的に、リチウム金属電池は、電池が各ウェルによって個々に密封されるときに、より剛性があるようになる。
【００３２】
従来技術と比較して、本発明で開示されるリチウム金属電極およびそれに関連するリチウム金属電池は、電気的に絶縁された多孔性電気絶縁層によって電池の安全性を改善して、リチウムデンドライトの形成の方向および範囲を抑制できる。
【００３３】
このように本発明について説明してきたが、本発明を多くの方法で変えてもよいことは明らかであろう。そのような変更は、本発明の趣旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、そのような修正はすべて、以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されることは当業者に明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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