负电极和处理负电极工作表面的方法与流程

1.本发明涉及一种处理负电极工作表面的方法、用于处理负电极工作表面的设备、负电极以及包括该负电极的电池。更具体地，本发明涉及用于碱金属离子电池的预处理负极。


背景技术：

2.第一循环不可逆容量损失是在碱金属离子电池比如锂和钠离子电池中观察到的众所周知的现象。容量损失的机理和程度可以根据用于负电极或阴极的材料而变化。特别是对于负电极，容量损失的一个原因是固体电解质界面(sei)的形成，这发生在低电压下。由于负电极工作表面上存在的电解质成分的分解，sei在负电极上形成。这些成分在表面与钠离子或锂离子反应，形成含有钠离子或锂离子的表层化合物。
3.当负电极表面暴露在大气中时，也可能形成sei层，特别是如果负电极材料是高反应性材料，例如锂或钠。因此，在制造负电极之后，几乎立即会形成“天然”sei层或“天然钝化层”。
4.虽然sei的形成可以稳定负电极性能，因此sei的存在可能是所希望的，但与之相关的容量损失严重影响电池的容量和循环寿命。因此，需要提供一种稳定的负电极，该负电极在电池寿命期间表现出降低的第一循环不可逆容量损失和改善的性能特征，比如改善的稳定性和降低的电荷转移界面电阻。


技术实现要素：

5.在此背景下，本发明在于一种处理碱金属离子电池的负电极的工作表面的方法，该负电极包括负电极材料，该方法包括：提供具有工作表面的负电极，该工作表面在负电极材料上具有天然固体电解质界面(sei)层；去除天然sei层以暴露下方负电极材料的未钝化表面；以及化学处理下方负电极材料的未钝化表面以产生工程sei层。
6.在负电极的下方未钝化表面上产生的工程sei层不同于从工作表面去除的天然sei层。天然sei层是自发形成的且以不受控制的方式，因此具有不可预测的组成和厚度。相比之下，工程sei层具有已知的成分和厚度。因此，工程sei层的性质比如其电阻和热/化学稳定性可被控制和调整到特定要求，以优化负电极的性能，并因此优化负电极结合到其中的电池的性能。
7.去除天然sei层的步骤可以包括机械地去除天然sei层。
8.化学处理下方负电极材料的未钝化表面的步骤可以包括将负电极暴露于试剂以产生工程sei层。例如，该试剂可以是非水性碱金属离子电解质。
9.将负电极暴露于试剂的步骤可以包括将负电极布置在试剂槽中。在这种情况下，可以在负电极布置在槽中的同时进行去除天然sei层的步骤。
10.负电极可以是细长条。在这种情况下，将负电极暴露于试剂的步骤可以包括将负电极从第一卷轴穿过试剂，并到达第二卷轴。当试剂布置在槽中时，这可以包括使条穿过
槽。去除天然sei层的步骤可以在负电极穿过试剂和/或槽时进行。
11.本发明还扩展到一种用于碱金属离子电池的负电极，该负电极包括负电极材料和工作表面，该工作表面包括其上形成有工程sei层的负电极材料的机械抛光表面。
12.负电极材料可以包括锂、钠、钙或镁。
13.在上述方法或负电极中，当负电极包括锂时，工程sei层可包括氟化锂和/或碳酸锂。
14.本发明进一步扩展到一种处理用于碱金属离子电池的负电极的工作表面的设备。负电极包括负电极材料，并且该设备包括用于从工作表面去除天然sei层以暴露下方负电极材料的去除装置，以及用于化学处理工作表面处的下方负电极材料以产生工程sei层的处理装置。
15.去除装置可包括用于机械地去除天然sei层的机械去除装置。机械去除装置可包括可移动抛光装置，比如可旋转砂轮或者可旋转或可移动抛光刷。
16.处理装置可以包括试剂槽，该试剂槽配置成接收试剂和负电极，以将负电极浸没在试剂中。在这种情况下，当负电极布置在试剂槽中时，去除装置可以布置成从工作表面去除天然sei层。
17.负电极可以包括细长条。在这种情况下，该设备可以包括用于支撑细长条的第一和第二卷轴，卷轴配置成旋转以使细长条在卷轴之间通过。试剂槽可以布置在卷轴之间，使得细长条在卷轴之间通过时穿过试剂槽。
18.本发明还扩展到一种包括上述负电极或根据上述方法制成的负电极的碱金属离子电池。
19.应当理解，任何上述方面或实施例的特征可以单独使用，或者与其他方面或实施例适当组合使用。
附图说明
20.为了更容易地理解本发明，现在将参照附图通过举例的方式描述本发明的实施例，其中：
21.图1是具有天然sei层的负电极的示意图；
22.图2是图1的负电极的示意图，其中去除了天然sei层以显示下方负电极材料的未钝化表面；
23.图3是图2的负电极的示意图，其具有已经在下方负电极材料的表面上产生的工程sei层；
24.图4是用于通过去除天然sei层以露出下方负电极材料的未钝化表面并处理该未钝化表面以产生工程sei层来处理图1的负电极的设备的示意图；
25.图5是用于通过去除天然sei层以露出下方负电极材料的未钝化表面并处理该未钝化表面以产生工程sei层而经由卷轴到卷轴过程处理图1的负电极的另一设备的示意图；以及
26.图6是在图5的设备中进行处理的负电极的特写。
具体实施方式
27.图1示出了用于碱金属离子电池比如锂离子或钠离子电池的负电极10。负电极10具有由负电极材料制成的主体12，该负电极材料可以是能够产生碱金属离子的任何材料，比如锂、钠、钙或镁金属。在前述示例中，负电极材料是锂，负电极体12限定细长条。
28.负电极10包括工作表面14，在组装的电池中，反应在该工作表面处发生。在工作表面14处，在电池构造/组装之前，锂负电极材料自发地与周围大气中的材料(例如空气中的氧气、氮气和湿气)反应，以形成由锂化合物(例如氧化锂和硝酸锂)构成的sei层。因为当锂负电极暴露于大气中时，该sei层自然且自发地出现，所以这里将其称为“天然”sei层16。
29.如图2所示，根据处理负电极的方法，从负电极10上去除天然sei层16，以暴露主体12的下方负电极材料的未钝化表面18或“原始”表面。天然sei层16可以通过机械装置去除，例如通过研磨天然sei层16。在所示的特定示例中，使用砂轮去除天然sei层16，尽管也可以使用其他研磨去除装置。例如，可以用可移动或可旋转抛光刷去除天然sei层16。该刷可以包括用于研磨表面的刷毛，例如塑料刷毛。还设想去除天然sei层16的非机械装置，例如激光烧蚀或化学手段。还设想机械和化学手段的组合。
30.同样根据该方法，主体12的下方负电极材料的未钝化表面18被处理以产生工程sei层20，如图3所示。在该特定示例中，通过在选定的条件下将未钝化表面18暴露于选定的试剂来形成工程sei层20。
31.所得的工程sei层20不同于天然sei层14。具体而言，与自发形成且以不受控方式形成并因此具有不可预测成分和厚度的天然sei层16不同，工程sei层20具有已知的成分和厚度。因此，虽然天然sei层14的确切材料和性质是不受控且不可预测的，但工程sei层20的性质比如其电阻和热/化学稳定性可被控制和调整到特定要求，以优化负电极10的性能，从而优化负电极10结合到其中的电池的性能。
32.在一特定示例中，工程sei层20包括含氟化锂和碳酸锂的化合物。在这种情况下，试剂是非水性锂离子电解质材料，例如溶解在一种或多种碳酸酯溶剂中的lipf6盐，所述碳酸酯溶剂比如是碳酸亚乙烯酯(vc)、碳酸乙烯酯(ec)或碳酸氟乙烯酯(fec)。当未钝化表面18暴露于试剂时，未钝化表面18处的锂与试剂反应，形成工程sei层的含氟化锂和碳酸锂的化合物。
33.未钝化表面18可以通过允许试剂与未钝化表面18接触的任何合适的方法进行处理。例如，在试剂是液体试剂的情况下，未钝化表面18可以通过用试剂喷洒或清洗负电极10的主体12或者通过将负电极10的主体12浸没在试剂中来处理。清洗处理可能涉及浸泡在试剂中的海绵。例如，海绵可以作为海绵辊提供，并且对于连续处理过程，可以连续地供给试剂。还设想试剂可以是气体，使得处理是气体处理。
34.图4示出了根据上述方法用于处理负电极10的工作表面14的设备30的示例。
35.设备30包括用于从工作表面14去除天然sei层的去除装置，在这种情况下，该去除装置采用抛光轮或砂轮32的形式。轮32包括抛光或研磨表面26，并且配置为在该研磨表面26与工作表面14接触时绕中心轴线38旋转，使得研磨表面26研磨天然sei层以将其去除。
36.设备30还包括用于化学处理工作表面14处的下方负电极材料的处理装置，在这种情况下，该处理装置采用槽34的形式，该槽34用作容纳试剂22的容器。以这种方式，负电极10可以浸没在槽34中的试剂22中，以将负电极10的未钝化表面暴露于试剂22。
37.在该示例中，当负电极布置在槽24中时，砂轮32布置成与负电极10接触。砂轮32因此至少部分地布置在槽34中，并且因此当试剂22在槽34中时至少部分地浸没在试剂22中。该设备布置成允许砂轮32和负电极10之间的相对运动，使得砂轮32能够在负电极10的整个区域上研磨工作表面14。例如，砂轮可以布置成通常在负电极10的平面内移动：例如如图4所示的向左和向右。可替代地，负电极10可以布置成在负电极10的平面内移动。
38.用于处理负电极10的另一设备在图5和6中示出。该设备特别适用于处理长条状的负电极10，以及作为连续过程的一部分来处理这种负电极。该过程可以包括所示处理过程之前或之后的其他步骤。例如，图5的设备可以形成处理站40，该处理站40形成较大设备的一部分。较大设备可以包括在图5的处理站40上游的制造站，在该制造站中制造负电极，和/或较大设备可以包括在处理站40上游或下游的附加处理站。
39.类似于图4的设备30，图5的处理站40包括抛光轮或砂轮42形式的去除装置和槽44形式的处理装置，槽44用作容纳试剂22的容器。此外，处理站40包括用于在处理方向p上输送负电极通过处理站40的输送装置。在该示例中，输送装置包括第一和第二卷轴46a、46b，其配置为在卷轴到卷轴过程中支撑负电极10。随着卷轴46a、46b旋转，负电极10在处理方向p上从第一卷轴46a传递到第二卷轴46b，以移动负电极10通过处理站。
40.槽44布置在第一卷轴46a下游和第二卷轴46b上游的卷轴46a、46b之间，使得负电极在穿过卷轴46a、46b之间时穿过槽44。
41.与图4的设备30一样，在图5的设备40中，轮42部分地布置在槽44中，以便当负电极穿过槽44时从负电极10去除天然sei层。
42.如图6中详细示出，处理站40的布置使得当负电极10的第一或上游部分经历处理过程的第一阶段时，负电极10的第二或下游部分同时经历处理过程的第二阶段。
43.更具体地，紧接在砂轮42下方的负电极10的第一部分正经历处理的第一阶段，其中从工作表面14去除天然sei 16，以暴露下方负电极材料的未钝化表面18。同时，紧接在砂轮42下游的负电极10的第二部分正经历处理的第二阶段，其中下方负电极材料的未钝化表面18暴露于槽44中的试剂22，以产生工程sei层20。当负电极10穿过槽44时，该过程连续进行，使得负电极的每个部分快速连续地经历该过程的第一和第二部分，提供了去除天然sei层16并随后立即产生工程sei层20的简单且有效的手段。