具有受控枝晶生長的可再充電堿金屬和堿土電極及其制造和使用方法
【專利摘要】一種用于延長電池壽命的裝置，包括：電極，其具有金屬部分，其中，所述金屬部分選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組；電解質(zhì)可滲透膜；以及設(shè)置在所述電極與膜之間的金屬枝晶晶種材料。所述電極、膜和金屬枝晶晶種材料位于電解質(zhì)基質(zhì)中。至少一個枝晶從所述電極朝向所述電解質(zhì)可滲透膜延伸，結(jié)合從所述枝晶晶種材料延伸的至少一個枝晶。
【專利說明】具有受控枝晶生長的可再充電堿金屬和堿土電極及其制造和使用方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明專利申請要求2011年5月17日提交的尚待批準(zhǔn)的美國臨時專利序列第61/486946號、2011年6月17日提交的尚待批準(zhǔn)的美國臨時專利序列第61/498192號及2011年11月30日提交的尚待批準(zhǔn)的美國臨時專利序列第61/565101號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]長期以來一直期望的是使用鋰金屬作為陽極，以構(gòu)建具有最高陽極特定容量的可再充電的鋰電池或電池組系統(tǒng)。然而，對于開發(fā)這種電池來說，鋰金屬枝晶的生長產(chǎn)生了嚴(yán)重的技術(shù)壁壘。最近，鋰金屬電池比如鋰離子電池的修改版已經(jīng)引入了一些成功。然而，當(dāng)前的修改版具有局限性和低效率，這對使用鋰金屬作為陽極的電池來說則不會出現(xiàn)。
[0004]通常，鋰金屬電池包括被電絕緣隔離物或“隔板”分開并通過電解質(zhì)溶液可操作地連接的陽極和陰極。在充電過程中，帶正電的鋰離子從陰極移動通過可滲透的隔板到達(dá)陽極并還原成鋰金屬。在放電過程中，鋰金屬被氧化成帶正電的鋰離子，其從陽極移動通過隔板并到達(dá)陰極上，而電子移動通過外部負(fù)載，從陽極至陰極，產(chǎn)生電流并提供電源給負(fù)載。在重復(fù)的充電和放電期間，鋰枝晶開始從陽極的表面上生長。枝晶狀鋰沉積物，有時也被稱為苔蘚鋰，最終通過隔板分裂并到達(dá)陰極，導(dǎo)致內(nèi)部短路并使電池?zé)o法工作。鋰枝晶的形成在鋰金屬電池的充電與放電過程中是固有地不可避免的。因此，仍然需要不遭受枝晶生長的影響而同時保持電池的循環(huán)能力、離子導(dǎo)電性、電壓及比容量的鋰電極電池系統(tǒng)。本新穎技術(shù)解決了這些需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是根據(jù)本新穎技術(shù)第一實施例的鋰離子電池的示意圖。
[0006]圖2A是圖1隔板的透視圖。
[0007]圖2B是圖2隔板表面的分解圖。
[0008]圖3A是圖1復(fù)合電極的第一透視圖。
[0009]圖3B是圖1復(fù)合電極的第二透視圖。
[0010]圖3C是圖1復(fù)合電極的第三透視圖。
[0011]圖3D是圖1復(fù)合電極的第四透視圖。
[0012]圖4是本新穎技術(shù)第二實施例紐扣型電池實施方式的透視圖。
[0013]圖5是從圖1的電極表面上生長的枝晶的放大的正視圖。
[0014]圖6是部分地涂覆有FNC時的圖1隔板表面的分解圖。
[0015]圖7是本新穎技術(shù)第三實施例的流程圖，示出了形成枝晶晶種材料的方法。
[0016]圖8是本新穎技術(shù)第四實施例的流程圖，示出了控制金屬枝晶生長的方法。
[0017]圖9是本新穎技術(shù)第五實施例的流程圖，示出了延長電池壽命的方法。[0018]圖10是本新穎技術(shù)第六實施例的流程圖，示出了制造涂覆有FNC的隔板的方法?！揪唧w實施方式】
[0019]為了促進(jìn)和理解本新穎技術(shù)的原理并提出其目前所理解的最佳操作方式的目的，下面將參照附圖中所示的實施例，并且特定的語言將用來描述相同的實施例。然而要理解的是，本新穎技術(shù)的范圍并非旨在局限于此，因為對于本新穎技術(shù)所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員來說通常會發(fā)生的是，在所示新穎技術(shù)中的這種改變和進(jìn)一步修改以及如其中所示的本新穎技術(shù)的原理的這種進(jìn)一步應(yīng)用被設(shè)想。
[0020]如圖1-10所示，本新穎技術(shù)涉及一種具有鋰金屬電極20的可再充電的鋰金屬電化學(xué)存儲電池10。參照圖1，可再充電的鋰電極電池10示出有鋰金屬陰極部12和鋰金屬陽極部14。隔板50定位在陽極14與陰極12之間。隔板50通常涂覆有官能化納米碳顆粒40的層80。隔板50包括陽極面向側(cè)53和陰極面向側(cè)52，并且通常涂覆有官能化納米碳(FNC)顆粒40的薄或極薄膜80，更通常地約0.1 μ m厚，并且通常定向為面向鋰金屬電極20的表面70。間隙26填充有位于鋰金屬電極20與涂覆FNC的隔板60之間的電解質(zhì)25。官能化納米碳顆粒40通常具有固定在納米碳顆粒40的層80的表面65上的Li+離子。FNC膜80電連接至鋰金屬電極20。當(dāng)鋰金屬電極20被充電時，鋰枝晶11從鋰金屬電極20的表面70朝向涂覆FNC的隔板60延伸。同時，枝晶55從FNC膜80的表面65朝向鋰金屬電極20的表面70延伸。枝晶55在鋰金屬電極20與涂覆FNC的隔板60的通過平面方向94上生長。
[0021]參照圖5，枝晶11、55的生長由相應(yīng)枝晶11、55的前端(Et)59與基部(Eb)之間的電位差(ΛΕ)驅(qū)動。由于循環(huán)，枝晶11、55朝向彼此繼續(xù)延伸；最終，枝晶11、55相互接觸并且電位差(Λ E )枝晶11、55大約為零，因為FNC膜80和鋰金屬電極20具有相同的電位。因此，枝晶11、55生長沿著通過平面方向94遲緩或停止。在隨后的循環(huán)中，枝晶11、55可以在垂直于相應(yīng)枝晶11、55的長軸線且平行于鋰金屬電極20的平面的方向(也被稱為平面內(nèi)方向84)上生長，這防止枝晶11、55刺穿可滲透的或選擇性可滲透的膜50，如圖3A-3D所示。最終，從鋰枝晶11、55的交叉點，鋰再生表面70可以形成。因此，復(fù)合鋰金屬電極20得以形成，其中鋰電極20裝配有薄碳層80。
[0022]盡管鋰在本文中通常特定地被闡述為電極金屬，但是存儲電池10可以可替代地包括其它堿土和/或堿土金屬元素及其組合作為電極材料。
[0023]用于利用鋰金屬枝晶/電極系統(tǒng)的兩種類型的電池示例性配置包括對稱電池400，其中鋰金屬電極420用作陽極414和陰極412，具有鋰/聚合物/鋰(陽極/電解質(zhì)/陰極=A/E/C)的配置，使得鋰枝晶機(jī)理研究或鋰聚合物電池系統(tǒng)成為可能；以及非對稱電池500，其中鋰金屬是陽極514，不同的材料被選為陰極512，比如鋰/聚合物電解質(zhì)/V205、鋰/液體電解質(zhì)/石墨、鋰/聚合物電解質(zhì)/石墨和鋰/聚合物電解質(zhì)/FeP04。對稱電池400為鋰金屬枝晶生長提供了更好的介質(zhì)，并且可以加速循環(huán)測試，而非對稱電池500更加接近于現(xiàn)場應(yīng)用。
[0024]如圖5所示，枝晶生長基本上是不可避免的，因為鋰金屬表面的冶金特性在或機(jī)械應(yīng)力或電鍍/退鍍循環(huán)的應(yīng)用之后導(dǎo)致鋰金屬電極的表面缺陷。雖然本領(lǐng)域公知的配置僅著重于停止枝晶11生長，但是新穎的電池設(shè)計10著重于控制鋰金屬枝晶11、55生長的方向。
[0025]如圖9所述，新穎的電極20的一實施方式800可具有在隔板50上的官能化納米碳顆粒(FNC) 80的碳涂覆層，其定位801于電解質(zhì)25中，并且使鋰枝晶11、55同時從鋰金屬電極20的表面51與涂覆FNC的隔板60的表面65生長803。電解質(zhì)25置于802電極20與涂覆FNC的隔板60之間的間隙26中。枝晶11、55在電池10的重復(fù)充電和放電804之后生長803。枝晶11、55相互接觸805，并且當(dāng)接觸發(fā)生時，由于產(chǎn)生于接觸的零電位差，枝晶11、55停止在通過平面方向94上延伸。枝晶生長方向800的控制通過涂覆FNC的隔板枝晶55與電極枝晶11之間的接觸805而發(fā)生。在枝晶11、55的多個結(jié)合之后，形成806了鋰再生鋰表面70。
[0026]建立零電位差給可再充電的鋰金屬電極20提供了高比容量、高循環(huán)性能和高安全性。因此，可再充電的鋰金屬電極系統(tǒng)10可在多種鋰電池中實施，其包括鋰聚合物、鋰-空氣和鋰金屬氧化物電池系統(tǒng)以及任何其它電池系統(tǒng)，其中使用鋰金屬陽極14，并且對于電子設(shè)備、電動汽車和混合電動汽車、大型儲能等產(chǎn)生好處。
[0027]通常，開發(fā)不同鋰電池(即鋰聚合物、鋰空氣和鋰離子等)的高比容量和可再充電的鋰金屬電極20的挑戰(zhàn)一直停止循環(huán)803過程中的電極枝晶11生長。鋰金屬電極20具有固有的冶金傾向以形成枝晶11，枝晶11生長由基部57與枝晶前端59之間的電位差驅(qū)動。因此，鋰電極枝晶11生長是不可避免的。然而，本系統(tǒng)800結(jié)合，而不是避免，枝晶生長機(jī)制。
[0028]在一實施例中，可再充電的鋰金屬電極220用在其它鋰電池系統(tǒng)比如鋰聚合物和鋰空氣中，并且可以通過在聚合物電解質(zhì)膜200上涂覆FNC層280而被制造出，該膜在鋰聚合物電池和鋰空氣電池中用作電解質(zhì)225。這些涂覆FNC的聚合物電解質(zhì)225通常作為中間層280合并且裝配到軟積層鋰空氣電池285中。這樣的聚合物電解質(zhì)膜260可以包括這些聚(氧化乙烯)(ΡΕ0)、聚(偏二氟乙烯)(PVdF)、聚(丙烯腈)(PAN)以及其它聚合物電解質(zhì)，其被廣泛地用于鋰聚合物電池和鋰空氣電池。
[0029]此外，可以采用多種模式制造涂覆FNC的隔板60。FNC層80在新穎鋰金屬電極20中起作用，因為在FNC層80中的固定Li+離子30用作“晶種”31，用于在FNC層80上形成鋰金屬枝晶55。FNC層80通常是多孔的，允許FNC集料通過粘合劑網(wǎng)絡(luò)604而粘結(jié)605在一起，以形成剛性結(jié)構(gòu)606來保持607層80的完整性。層80通常是非常薄的，具有四個主要屬性:1)良好的孔隙結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)Li+離子從中穿過，2)高導(dǎo)電性，以減少內(nèi)部阻抗，3)在納米碳表面65上的Li+離子30的高覆蓋，以易形成鋰金屬枝晶55，以及4)良好的粘附至聚合物隔板50或聚合物電解質(zhì)膜。所有這些屬性類似于用于燃料電池中催化劑層的那些，(即用于氣體與水?dāng)U散的多孔層、氣體反應(yīng)所必需的導(dǎo)電性、用于質(zhì)子傳導(dǎo)的SO3-覆蓋、以及用于耐久性的在聚合物電解質(zhì)膜上的催化劑層的良好粘附性XFNC層80越薄，鋰金屬電極20的比容量的損失就越少。
[0030]FNC層80的形態(tài)取決于層是如何制造601的。應(yīng)用609層80的這種技術(shù)包括(I)噴涂，(2)機(jī)刮涂，(3)刷子手繪等。碳可以選自包括碳黑、納米石墨、石墨烯等的源。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，石墨化程度越高，化學(xué)穩(wěn)定性就越高。納米碳顆粒40可以由碳黑制成，其很廉價，但是是無定形結(jié)構(gòu)，而不是石墨結(jié)構(gòu)。石墨烯也可被使用，并且具有獨特的性能，比如高電子傳導(dǎo)性、高模量以及高表面積。[0031]FNC層80的形態(tài)還受到油墨配方的影響。為了制出薄的碳層，第一步是將碳源與溶劑混合600,以制出均勻分散的懸浮液603。為了形成這樣的良好分散的碳墨,基于極性(即介電常數(shù))和它們的疏水性，溶劑類型得以仔細(xì)選擇，以便匹配這些碳集料和粘合劑。此混合物602還被稱為“油墨配方”。油墨中的碳和溶劑的類型將影響薄FNC層80的形態(tài)。粘合劑33的類型也影響在隔板50上的碳層80的粘合性。通常，粘合劑33具有與隔板/電解質(zhì)膜50相類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而使它們可以通過熱壓或其他技術(shù)而融合在一起605，以形成碳層80與隔板/電解質(zhì)膜50之間的良好接合的界面62。
[0032]在納米碳顆粒40表面上的固定的Li+離子30用作“晶種”31，用于在涂覆FNC的隔板60上形成鋰枝晶55。Li+離子30的固定是通過形成900枝晶晶種材料61來實現(xiàn)的，比如通過在適當(dāng)901碳隔板50上的重氮反應(yīng)或類似裝置902，以將SO3H基902化學(xué)地連接到碳表面65上，允許碳隔板50成為官能化的903。然后，連接的SO3H與Li+離子30交換，以將Li+離子30固定在表面65上。因此，枝晶晶種材料61得以形成907。枝晶晶種材料61通常是含碳的，但也可以是金屬基質(zhì)，比如L1、Na、K、Al、N1、T1、Cu、Ag、Au及其組合。晶種材料61還可以是官能化金屬基質(zhì)，比如由Au構(gòu)成的自組裝單分子層結(jié)構(gòu)，具有硫醇封端的有機(jī)分子，其包含至少一個官能團(tuán)，比如S03-M+、COO-M+和NR3+X-;導(dǎo)電有機(jī)聚合物，比如聚乙炔、聚苯乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺以及聚苯硫醚、或官能化的導(dǎo)電有機(jī)聚合物，其中，所述官能團(tuán)化學(xué)地粘合至聚合物。這些材料61可以通過使用常規(guī)的物理沉積技術(shù)比如機(jī)械分層或者物理氣相沉積技術(shù)比如濺射等而沉積。
[0033]本新穎技術(shù)允許不同的官能團(tuán)連接903至碳表面65，比如通過重氮反應(yīng)等。在該反應(yīng)中，官能團(tuán)Y通過引入904重氮鹽XN2C6H4-Y(其中，Y=磺酸鹽、S03-M+、羧酸鹽、COO-M+ ；和叔胺，NR3+X ;等)而連接903到碳表面65上。不同化學(xué)基團(tuán)的連接不僅提供平臺用于將Li+離子30固定在FNC表面65，而且改變碳顆粒的表面能，其可用作用于調(diào)節(jié)碳膜80的表面疏水性的工具，并且有助于油墨配方603。
[0034]FNC層粘合609至隔板/聚合物電解質(zhì)50影響新穎鋰金屬電極20的循環(huán)壽命。通常形成608FNC層80與隔板/電解質(zhì)膜50之間的良好界面62。這主要取決于在FNC層80中的粘結(jié)劑33的網(wǎng)絡(luò)和用于形成界面62的技術(shù)。這樣的催化劑層可以經(jīng)受幾千小時的長期耐久性測試，部分地由于在保持607FNC層80結(jié)合至隔板/電解質(zhì)膜50中的粘合劑
33。這樣的該催化劑/膜界面62的TEM觀測在大約2000小時的耐久性測試之后將顯示很少的分層或根本沒有。熱壓是用于制造的技術(shù)之一，熱壓技術(shù)的參數(shù)(即溫度、壓力和時間)允許對過程進(jìn)行系統(tǒng)地控制。
[0035]在膜50上的FNC層80的形態(tài)(即表面積、孔結(jié)構(gòu)和幾何形狀)對新穎金屬電極20的性能具有顯著的影響。FNC層80孔隙率81 (即孔徑、孔徑分布和孔體積)是控制枝晶生長700的方向的因素，因為其影響在FNC膜表面65上的金屬陽離子30的存在705和枝晶晶種材料61的添加703?？捉Y(jié)構(gòu)通常允許金屬離子30在循環(huán)704過程中順利通過，但不形成將會阻止金屬離子30擴(kuò)散的在孔里面的枝晶。因此，具有孔隙率81的適當(dāng)?shù)腇NC層80的確定701和制作702在允許枝晶11、55存在706并最終形成707第二金屬層70方面是有用的。另一方面，F(xiàn)NC層80須粘附至隔板/電解質(zhì)膜50，并且來自所形成的界面62的擴(kuò)散壁壘(如果存在的話)應(yīng)盡量減少。
[0036]通常，通過相對于鋰金屬電極20的厚度29而改變FNC膜80的厚度89，可能會影響可再充電的金屬電極20的比容量。本文中的示例涉及新穎技術(shù)和不同的實施例，并且不旨在將本新穎技術(shù)的范圍限制于本文中所論述的這些模式和實施例。
[0037]示例1:
[0038]不同碳涂覆層對鋰金屬復(fù)合電極20的比容量的影響被近似計算并示于表1中。例如，對于0.1 μ m厚度的碳涂覆層80來說，鋰金屬電極20的相應(yīng)比容量損失僅為0.026%。甚至對于4 μ m厚度的FNC膜80來說，比容量的相應(yīng)損失僅為0.53%。因此，碳涂覆層80對鋰金屬電極20的比容量的影響可以忽略不計。薄的碳涂覆層80保留了鋰金屬電極的高比容量的優(yōu)點。
[0039]表1
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種電極隔板,包括: 電絕緣隔離構(gòu)件，其具有陽極面向側(cè)和陰極面向側(cè)；以及官能化納米碳顆粒層，其粘附至所述電絕緣隔離構(gòu)件的陽極面向側(cè)；并且其中，所述官能化納米碳顆粒由于用于晶種枝晶生長的離子相關(guān)的金屬陽離子而得以官能化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板，其中，所述官能化納米碳顆粒選自包括碳黑、石墨烯、石墨、納米石墨、無定形碳及其組合的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板，其中，所述金屬陽離子與選自包括磺酸鹽、羧酸鹽、叔胺、重氮鹽及其組合的組的官能團(tuán)離子地相關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔板，其中，所述電絕緣隔離構(gòu)件可滲透至含有金屬鹽的有機(jī)電解質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隔板，其中，所述金屬選自包括鋰、鈉、鉀、鈣、鎂及其組合的組。
6.一種鋰金屬電池組電池，包括: 電解質(zhì)介質(zhì)； 陰極，其位于所述 電解質(zhì)介質(zhì)中； 含鋰的陽極，其位于所述電解質(zhì)介質(zhì)中并且與所述陰極隔開； 隔板，其具有設(shè)置在所述含鋰的陽極與陰極之間的陽極面向側(cè)和陰極面向側(cè)；以及 多個鋰官能化的納米碳顆粒，其操作地連接至所述隔板的陽極面向側(cè)； 其中，所述隔板是電絕緣的且電解可滲透的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，多個枝晶從所述含鋰的陽極朝向所述隔板延伸，并且多個枝晶從所述隔板的陽極面向側(cè)朝向所述含鋰的陽極延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池組電池，其中，所述多個枝晶在所述電解質(zhì)介質(zhì)中結(jié)合并且具有大約為零的電位差。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池組電池，其中，所述多個枝晶限定再生鋰金屬層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，所述電池組電池是紐扣電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，所述電池組電池是可再充電的。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組電池，其中，所述電池組電池是對稱的。
13.一種用于延長電池壽命的裝置，包括: 電極，其具有金屬部分，其中，所述金屬部分選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組； 電解質(zhì)可滲透膜；以及 金屬枝晶晶種材料，其設(shè)置在所述電極與膜之間； 其中，所述電極、膜和金屬枝晶晶種材料位于電解質(zhì)基質(zhì)中，并且； 其中，至少一個枝晶從所述電極朝向所述電解質(zhì)可滲透膜延伸，結(jié)合從所述枝晶晶種材料延伸的至少一個枝晶。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述金屬枝晶晶種材料是多個金屬官能化碳納米顆粒，并且其中，所述金屬選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，從所述電極延伸的枝晶和從所述枝晶晶種材料延伸的枝晶結(jié)合以形成再生金屬部分。
16.—種延伸電池壽命的方法,包括: a)將枝晶晶種材料定位于設(shè)置在含有金屬的電極與電解質(zhì)可滲透隔板膜之間的電解質(zhì)溶液中； b)從鋰枝晶晶種材料朝向含鋰的電極生長金屬枝晶；以及 c)使從所述含有金屬的電極延伸的金屬枝晶與從金屬枝晶晶種材料延伸的金屬枝晶接觸； 其中，所述電解質(zhì)包含金屬離子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在從所述含鋰的電極延伸的鋰枝晶與從所述鋰枝晶晶種材料延伸的鋰枝晶之間的接觸基本上停止接觸的鋰枝晶沿著長軸生長。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括: d)將從所述含鋰的電極延伸的鋰枝晶與從所述鋰枝晶晶種材料延伸的鋰枝晶纏結(jié)；以及 e )形成來自所纏結(jié)的鋰枝晶的鋰層。
19.一種制作枝晶晶種隔板材料的方法，包括: a)識別碳隔板表面； b)官能化所述碳隔板表面具有化學(xué)結(jié)合的含有陰離子的結(jié)構(gòu)； c)引入中性金屬鹽至官能化的碳隔板表面； d)使中性鹽發(fā)生反應(yīng)，以產(chǎn)生金屬陽離子和陰離子；以及 e)將所述金屬陽離子吸至化學(xué)結(jié)合的陰離子。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述金屬選自包括鋰、鈣、鎂、鈉、鉀及其組合的組。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述金屬陽離子弱結(jié)合至化學(xué)結(jié)合的陰離子。
22.—種用于控制電池組電池中金屬枝晶生長的方法，包括: a)確定用于電解質(zhì)膜的所需孔隙率值； b)向所述電解質(zhì)膜提供孔隙度值； c)將枝晶晶種材料移植到所述電解質(zhì)膜上； d)引入來自金屬電極的金屬陽離子梯度通過所述電解質(zhì)膜； e)將所述金屬陽離子的一部分固定在所述電解質(zhì)膜的電極面向表面上；以及 f )促進(jìn)在電極的膜面向側(cè)上和在膜的電極面向側(cè)上的定向枝晶生長。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括，防止在所述電解質(zhì)膜的平面內(nèi)方向上的枝晶生長，直到電極枝晶結(jié)合膜枝晶。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述電解質(zhì)膜是選擇性可滲透的。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述電解質(zhì)膜包括官能化納米碳顆粒層。
26.—種制作電解質(zhì)聚合物膜的方法，包括: 將微粒碳源與多個溶劑混合，以形成懸浮液； 確定結(jié)合元素，以影響懸浮的碳顆粒粘附至可滲透膜； 應(yīng)用所述結(jié)合元素至可滲透膜，以限定粘合性膜； 應(yīng)用所述懸浮液至所述粘合性膜；以及 形成在所述懸浮液之間的界面。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述懸浮液是多個官能化納米碳顆粒。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，碳物質(zhì)選自包括碳黑、石墨烯、石墨、納米石墨及其組合的組。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述結(jié)合元素和電解質(zhì)聚合物膜具有基本相似的化學(xué)組成。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述懸浮液的應(yīng)用通過選自包括熱壓、噴涂、機(jī)刮涂、刷涂及其組合的組來實現(xiàn)。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述懸浮液是均勻分散的。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括通過所述結(jié)合元素保持懸浮液的粘合性。
33.一種用于控制電化學(xué)電池中金屬枝晶生長的方法，包括: a)采用非反應(yīng)性金屬涂層涂覆可電解滲透且電絕緣的膜； b)官能化所述非反應(yīng)性金屬涂層，以產(chǎn)生官能化的非反應(yīng)性金屬涂層； c)將電解質(zhì)溶液定位在電極與官能化的非反應(yīng)性金屬涂層之間； d)引入來自金屬電極的金屬陽離子梯度通過所述可電解滲透且電絕緣的膜； e)將所述金屬陽離子的 一部分固定在所述官能化的非反應(yīng)性金屬涂層上；以及 f)促進(jìn)來自所述電極與來自所述膜的定向枝晶生長通過所述電解質(zhì)溶液。
【文檔編號】H01M2/18GK103703587SQ201280035599
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】J.謝 申請人:美國印第安納大學(xué)研究和技術(shù)公司