CN111788718A - 抑制金属离子电池组电池中的枝晶形成和生长的离子沉积偏置 - Google Patents

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Abstract

电池组电池包括集流体、隔膜、阳极和沉积偏置元件。将阳极安置在集流体与隔膜之间，并包含具有多孔结构的离子导电陶瓷材料。将所述偏置元件安置在电池组电池内以在充电过程中使阳极内的离子沉积偏离隔膜。形成电池组电池的方法包括将材料粒子电纺丝成网以形成包含离子导电材料的阳极。将至少一个偏置元件施加到阳极和集流体的至少一个上。将阳极安置在集流体与隔膜之间。将集流体和隔膜接合到阳极上。

Description

抑制金属离子电池组电池中的枝晶形成和生长的离子沉积 偏置
相关申请
本申请要求2018年3月5日提交的名称为“固态锂金属尺寸稳定阳极（SOLID STATELITHIUM METAL DIMENSIONALLY STABLE ANODE）”的美国临时专利申请号62/638,597的优先权，其整个内容全部并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及电池组组件，更特别涉及金属离子电池组电池的阳极。
背景
除非本文中另行指明，这一节中描述的资料不是本申请中的权利要求书的现有技术并且不通过包含在这一节中而被承认为现有技术。
Li金属的若干品质已促使努力将基于Li金属的组件并入电池组中。Li金属具有3860 mAh/g的理论容量，因此提供用于Li离子电池组的任何已知阳极材料的最高容量。因此，含有锂金属或锂合金阳极的电池组可具有比含有由其它材料形成的阳极的电池组高的比能。例如，锂/硫和锂/空气电池组有潜力达到500至1000 Wh/kg或更高的比能。但是，这些所需品质有一些弊端以致妨碍Li金属用作电池组的阳极。
特别地，由于形成电子导电的枝晶结构，具有Li金属阳极的电池组的寿命通常有限。在充电过程中，Li离子从阴极移动到阳极，且在放电过程中反过来。经过连续充电/放电循环，Li离子具有以针状或苔藓状结构（即“枝晶”）积聚而非均匀沉积的趋势。枝晶可由于各种原因形成，包括阳极表面中的不连续、阳极内的杂质和阳极内的特性，如电流密度（mA/cm2）在充电过程中的变化。Li离子经连续循环积聚成枝晶因此从阳极中吸取Li金属材料，并可导致电池组中的寄生容量损失。此外，在最坏的情况下，枝晶可继续生长并在电池组的阳极和阴极之间形成短路。电池组电极之间的短路可严重降低电池组的寿命，并且有可能危险。
在抑制枝晶生长的努力中，具有Li金属阳极的电池组通常包含机械刚性电解质，如固态聚合物材料、复合氧化物、玻璃和其它化合物。这样的材料可充当物理约束枝晶生长的机械边界。但是，在存在提高的电流密度，例如电流密度> 1 mA/cm2的情况下，机械刚性电解质充当机械边界的能力通常降低。在较快的充电倍率下，电流密度提高，并且因此这样的材料对于需要快速充电的电池组应用无法有效充当枝晶生长抑制剂。
引入Li金属阳极的额外弊端包括(i) Li金属积聚在固体组件的表面缺陷上的趋势，这在阳极和阴极之间的隔膜中存在缺陷的情况下会导致加速失效模式，(ii) 在充电过程中的Li离子沉积过程中通常不受限制的Li金属生长，这导致阳极内的不均匀性和降低的电池性能，和(iii) 在电池组的充电和放电过程中Li金属阳极的体积变化，这可影响电池组的寿命和结构完整性。
因此，具有高寿命并抑制枝晶生长的电池组组件是有益的。在充电和放电过程中均匀运行的电池组组件也是有益的。在充电和放电过程中具有有限体积变化或无体积变化的电池组组件也是有益的。
概述
为了抑制枝晶生长和/或形成，电池组电池包括第一集流体、隔膜、阳极和至少一个沉积偏置元件。阳极安置在第一集流体与隔膜之间，并包含具有多孔结构的离子导电材料。所述至少一个沉积偏置元件安置在电池组电池内以在电池组电池的充电过程中使阳极内的离子沉积偏离隔膜。
在一些实施方案中，所述离子导电材料是Li基陶瓷材料。
在一些实施方案中，所述至少一个沉积偏置元件包括晶种层。所述晶种层具有与离子导电材料传导的离子对应的金属材料的离散浓度。所述晶种层安置在第一集流体与隔膜之间以更靠近第一集流体而非隔膜，并被配置为使阳极内的离子沉积偏向第一集流体。
在一些实施方案中，将所述电池组电池配置为在完全放电状态下，与离子导电材料传导的离子对应的金属材料的总量的大约20重量%保持位于晶种层内。
在一些实施方案中，所述至少一个沉积偏置元件包括枝晶猝灭层。所述枝晶猝灭层具有被配置为与离子导电材料传导的离子对应的金属材料形成合金的材料。所述枝晶猝灭层安置在阳极与隔膜之间的界面区域中，并被配置为使阳极内的离子沉积偏离隔膜。
在一些实施方案中，所述至少一个沉积偏置元件包括涂覆到邻近第一集流体的阳极多孔结构的一部分上的电子导电涂层。所述电子导电涂层被配置为使阳极内的离子沉积偏向第一集流体并偏离隔膜。
在一些实施方案中，阳极包括由聚合物材料纤维形成的基底。在一些实施方案中，离子导电材料是涂覆到聚合物材料纤维上以形成多孔结构的涂层。
在一些实施方案中，阳极具有大约60%至大约90%的孔隙率。
为了抑制枝晶生长和/或形成，形成电池组电池的方法包括将材料粒子电纺丝成网以形成阳极，所述阳极包括离子导电材料。将至少一个沉积偏置元件施加到阳极和第一集流体的至少一个上。所述阳极安置在第一集流体与隔膜之间以使第一集流体与阳极的第一面形成第一界面，并使阳极的第二面与隔膜形成第二界面。将第一集流体和隔膜接合到阳极上。
在一些实施方案中，施加所述至少一个沉积偏置元件包括在第一集流体与隔膜之间施加晶种层以更靠近第一集流体而非隔膜。所述晶种层包含与离子导电材料传导的离子对应的金属材料的离散浓度，并被配置为在充电过程中使阳极内的离子沉积偏向第一集流体。
在一些实施方案中，施加所述至少一个沉积偏置元件包括将枝晶猝灭层施加到阳极的第二面上。所述枝晶猝灭层具有被配置为与离子导电材料传导的离子对应的金属材料形成合金的材料。所述枝晶猝灭层被配置为在充电过程中使阳极内的离子沉积偏离隔膜。
在一些实施方案中，施加所述至少一个沉积偏置元件包括将电子导电材料涂层施加到邻近第一面的阳极的一部分上。阳极的其余部分是纯离子导电的，以使充电过程中在阳极内的离子沉积偏向第一集流体并偏离隔膜。
在一些实施方案中，所述方法进一步包括将阴极和第二集流体接合到隔膜的与阳极相反的一面上，以将阴极安置在隔膜与第二集流体之间。
在一些实施方案中，阳极、隔膜和阴极是固态的，以使所述电池组电池是固态电池组电池。
在一些实施方案中，所述离子导电材料是Li基陶瓷材料。
附图简述
图1描绘了根据本公开的电池组电池的一个示例性实施方案。
图2a描绘了根据本公开的电池组电池的另一示例性实施方案。
图2b描绘了用于将图2a的电池组电池充电的充电***。
图3描绘了根据本公开的电池组电池的另一示例性实施方案。
图4描绘了用于形成根据本公开的电池组电池的阳极的一个示例性方法。
图5描绘了用于形成根据本公开的电池组电池的阳极的另一示例性方法。
图6描绘了用于形成根据本公开的电池组电池的一个示例性方法。
详述
为了利于理解本公开的原理，现在参考附图和下列书面说明书中的描述。该参考无意限制主题的范围。本公开还包括对所示实施方案的任何变动和修改并包括如本文所属领域的技术人员正常想到的所述实施方案的原理的进一步应用。
在本文中引入了抑制电池组电池内的枝晶形成和生长的技术。在电池组电池的充电过程中，沉积偏置元件使Li离子沉积偏向集流体和/或偏离阳极与隔膜之间的界面。这样的偏置抑制了阳极内的枝晶形成和生长，并提高电池组电池经多次充电/放电循环的寿命。
在本文中还引入了减少电池组在充电和放电过程中的体积变化和促进电池组组件的均匀运行的技术。在各种实施方案中，阳极具有多孔骨架结构。在充电过程中，Li离子沉积在该多孔结构内，而非仅在阳极与隔膜之间的界面处的阳极表面上。这样的沉积导致Li离子在充电过程中更均匀分布在阳极内，减少阳极经受的体积变化并增加阳极的有效表面积。
图1描绘了根据本公开的金属离子金属电池组电池100的一个示例性实施方案。在一些实施方案中，电池组电池100是Li离子电池组电池。电池组电池100包括第一集流体102、阳极104、隔膜106、阴极108、第二集流体110和沉积偏置元件112。隔膜106安置在阳极104与阴极108之间。阳极104安置在第一集流体102与隔膜106之间。阴极108安置在隔膜106与第二集流体110之间。在一些实施方案中，沉积偏置元件112安置在第一集流体102与隔膜106之间以更靠近第一集流体102而非隔膜106。在一些实施方案中，沉积偏置元件112安置在第一集流体102与阳极104之间的第一界面114处。
如本文所用，“充电过程”是指将电能储存在电池组电池中的过程。例如，当在电池组电池100的第二集流体110和第一集流体102之间施加正电压时，金属离子从阴极108经隔膜106迁移，并沉积在阳极104内。储存在阳极104内的金属离子相当于电池组电池100的储能容量。
如本文所用，“放电过程”是指从电池组电池中取出储存的电能的过程。例如，当将负载连接在电池组电池100的第一集流体102和第二集流体110之间时，金属离子从阳极104经隔膜106迁移，并沉积在阴极108内。来自阳极104的金属离子的释放形成被第一集流体102收集的自由电子流，这导致从第二集流体110经过负载到第一集流体102的正电流。
第一集流体102是包含任何可接受的导电材料，例如铜、镍、钢或钛的基底。在一些实施方案中，第一集流体102是薄片，但在另一些实施方案中使用其它类型的集流体，如网、板等。在一些实施方案中，第一集流体102是单极集流体。在一些实施方案中，第一集流体102是双极集流体，即第一集流体102的背向阳极104的表面是另一电池组电池的第二集流体。
阳极104是具有多孔结构116的固态金属基阳极。应该理解的是，本文所用的“多孔”是指阳极材料的空隙分数（例如材料的区域之间的空隙），而非这样的材料接收离子的容积（例如材料的分子之间的空隙）。多孔结构116充当在电池组电池100的充电过程中用于沉积金属离子的主体。具体地，多孔结构116提高阳极104的有效表面积。
换言之，多孔结构116的内表面暴露于阳极104从隔膜106接收到的金属离子，而非只有在阳极104与隔膜106之间的第二界面118处的阳极104表面。因此，与常规阳极相比，金属离子的沉积更均匀遍布于阳极104。阳极内的金属离子沉积的更均匀分布导致阳极内的更均匀电流密度，并可对枝晶形成和生长具有抑制作用。
此外，由于多孔结构116，在充电过程中阳极104内的电流分布在更大表面积上。因此，与常规阳极相比，阳极104内的电流密度的量级降低，从而能够提高电池组电池100的充电倍率。另外，由于金属离子沉积在阳极104的多孔结构116内而非仅在第二界面118处，沉积的金属离子倾向于内部填充多孔结构116而非在外部积聚在第二界面118处和增加阳极104的体积。因此，阳极104表现出与常规阳极相比在充电和放电过程中降低的体积变化。
在一些实施方案中，阳极104的多孔结构116具有大约60%至大约90%的孔隙率。在一些实施方案中，阳极104在未充电状态下具有大约10微米至大约100微米的厚度。在另一些实施方案中使用其它孔隙率和厚度。在一些实施方案中，阳极104的多孔结构116由成型为羊毛状的网的电纺丝纤维形成。在电池组电池100是Li离子电池组电池的实施方案中，该纤维包含Li离子导电陶瓷（“LIC”）材料。可使用任何可接受的LIC材料，包括(i) 氧化物类型的材料，如Li7La3Zr2O12（LLZO）或Li3x La2/3 − x TiO3（LLTO）、(ii) 氧磷酸盐类型的材料，如Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12（LAGP）、(iii) 硫化物材料，如Li3PS4（LPS）或Li10GeP2S12（LGPS）、(iv)上述之一的玻璃配制品、或(v) 它们的组合。如下文更详细论述，在一些实施方案中，至少一部分纤维进一步包含聚合物材料和/或导电材料。
本文所用的“沉积偏置元件”是具有影响金属离子在充电过程中在该元件区域中的沉积的物理、化学和结构性质的至少一种的元件。在一些实施方案中，沉积偏置元件使金属离子的沉积偏向沉积偏置元件的区域。在一些实施方案中，沉积偏置元件使金属离子的沉积偏离沉积偏置元件的区域。
在一些实施方案中，沉积偏置元件112包括晶种层120。本文所用的“晶种层”是包含分布在该层的范围内的金属材料的离散浓度的层，由此该金属材料对应于在充电和放电过程中传送的金属离子。例如，在电池组电池100是Li离子电池组电池的这一实施方案中，晶种层120包含与在电池组电池100内传送的Li离子对应的Li金属的离散浓度。在一些实施方案中，晶种层120中的金属超过在放电过程中可作为离子跨过隔膜106迁移的金属量。在一些实施方案中，晶种层120中的金属构成电池组100中的金属的大约20%。在这样的实施方案中，因此，在电池组100的完全放电状态下，电池组中的金属材料总量的大约20重量%保持位于晶种层内。
在各种实施方案中，晶种层120中的金属材料的浓度为簇、纳米片、粒子等或它们的组合的形式。金属材料的浓度充当从隔膜106进入阳极104的金属离子的成核靶和吸引剂。因此，晶种层120使阳极104内的金属离子的沉积偏向第一集流体102与阳极104之间的第一界面114。因此，在充电过程中，金属离子沉积倾向于在第一界面114处开始并朝阳极104与隔膜106之间的第二界面118生长。
使金属离子沉积偏向于在第一界面114处开始并朝第二界面118生长可抑制枝晶的形成。如上所述，枝晶可能在隔膜表面中的不连续或缺陷处形成，并随着枝晶穿过隔膜向阴极生长而导致加速失效模式。在电池组电池100中，由于金属离子沉积倾向于在界面114处开始，金属离子较不可能沉积在第二界面118的区域中，并且因此较不可能在隔膜106上形成枝晶。另外，从界面114朝界面118生长意味着金属离子沉积倾向于在距界面114类似距离的区域发生直至在该距离处的阳极104材料被Li离子饱和。这导致金属离子在阳极104的范围内的更均匀分布，这也可通过保持更均匀的电流密度而抑制枝晶的形成。
这样的偏置也可抑制不管任何抑制因素都会形成的枝晶的生长。具体地，使金属离子沉积偏向第一界面导致金属离子倾向于沉积在阳极104的多孔结构116内而非在第二界面118处的阳极104表面上。这样的枝晶在物理上受到阳极104的多孔结构116约束。换言之，在多孔结构116内形成的枝晶只能生长到与界定多孔结构116的内部空隙（其在该多孔结构中形成）的内表面接触。
在一些实施方案中，隔膜106是固态离子导体。可使用任何可接受的类型的固态离子导电材料，包括(i) 聚合物材料，如聚环氧乙烷(PEO)和苯乙烯的嵌段共聚物、被Li盐掺杂的聚苯乙烯-b-聚(环氧乙烷)(SEO)、或基于其它主链材料的聚合材料，如聚(偏二氟乙烯)（PVDF）、PEO、聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）或聚丙烯腈（PAN），(ii) 无机材料，如陶瓷或玻璃形式的氧化物、硫化物或磷酸盐，或它们的混合物，和(iii) 它们的组合。在各种实施方案中，陶瓷材料是结晶的、非晶的或两者的混合物。在另一些实施方案中使用其它类型的隔膜。在一些实施方案中，隔膜106具有包含增塑剂和液体电解质，如碳酸烷基酯，其它溶剂等的凝胶结构。
在一些实施方案中，阴极108是包含阴极活性材料、离子导电相（即阴极电解质）和电子导电添加剂的固态阴极。可使用任何可接受的阴极活性材料。在电池组电池100是Li离子电池组电池的一些实施方案中，阴极活性材料是相应地Li基材料，如层状、尖晶石或磷酸盐形式的Li过渡金属氧化物，例如LiFePO4、LiNixCoyAlzO2。可使用任何可接受的阴极电解质。在一些实施方案中，阴极电解质是固态材料。在另一些实施方案中，阴极电解质是液体电解质材料、液体电解质材料和增塑剂的组合、或液体电解质和固体电解质组分的组合。可使用任何可接受的电子导电添加剂，如炭黑、石墨、石墨烯等，或其组合。在一些实施方案中，选择阴极活性材料、阴极电解质和电子导电添加剂的材料以使阴极108包含大约10重量%的导电材料和大约30重量%的离子导电材料。在一些实施方案中，阴极的大约80重量%由阴极活性材料形成。在一些实施方案中，阴极108具有大约10微米至大约150微米或更大的厚度。
图2a描绘根据本公开的金属离子电池组电池200的另一示例性实施方案。在一些实施方案中，电池组电池200是Li离子电池组电池。电池组电池200包括第一集流体202、阳极204、隔膜206、阴极208、第二集流体210和沉积偏置元件212。隔膜206安置在阳极204与阴极208之间。阳极204安置在第一集流体202与隔膜206之间。阴极208安置在隔膜206与第二集流体210之间。
在一些实施方案中，沉积偏置元件212安置在阳极204与隔膜206之间的第二界面218的区域中。沉积偏置元件212在一些实施方案中包括枝晶猝灭层220。在一些实施方案中，枝晶猝灭层220由枝晶猝灭材料涂层形成，该涂层在第二界面118的范围内涂覆阳极104和隔膜106的一个或多个。在一些实施方案中，枝晶猝灭层220由分散在邻近第二界面218的阳极204多孔结构216的一部分内的枝晶猝灭材料形成。
枝晶猝灭材料是具有相对较高的与在电池组电池200内传送的金属离子对应的金属材料形成合金的倾向的材料。例如，在电池组电池200是Li离子电池组电池的这一实施方案中，枝晶猝灭材料是倾向于与Li金属形成合金的材料，如Sn、Ge、Au、Al、Si、In等。枝晶猝灭层220在第二界面218的区域中的存在导致在第二界面218的区域中的金属离子倾向于与枝晶猝灭材料形成合金而非沉积在阳极204内。因此，使金属离子沉积偏离第二界面218的区域。
另外，枝晶猝灭材料的合金化倾向使得枝晶猝灭层220能够捕集可能在阳极204内已形成并且否则可能朝隔膜206生长和生长到其中的枝晶。换言之，在阳极204内形成的枝晶在该枝晶接触到枝晶猝灭层220的枝晶猝灭材料和与其形成合金时将停止生长。
在一些实施方案中，枝晶猝灭层220被配置为充当枝晶生长指示剂。在充电过程中，金属离子会首先倾向于填充多孔结构216，并且因此金属离子会首先倾向于不与枝晶猝灭层220形成合金。但是，随着多孔结构216被填充和/或随着枝晶朝隔膜206生长，更多的金属离子会倾向于与枝晶猝灭层220形成合金而非沉积在阳极204内。从大部分传送的金属离子沉积在阳极204内转变到大部分金属离子与枝晶猝灭层220形成合金造成跨过电池组电池200的电压波动，这指示电池组电池200的充电状态和电池组电池200内的枝晶形成的一种或多种。在一些实施方案中，这样的电压波动为大约100 mV或更大。
图2b描绘了用于将电池组电池200充电的充电***270。将第一集流体202和第二集流体210连接到充电装置272。充电装置272包括被配置为将连接到充电装置272的电池组电池充电的充电元件274以及充电管理器276。充电管理器276被配置为接收指示跨过第一集流体202和第二集流体210的电压的信号。响应超过预定阈值的电压波动，例如超过100mV的波动，充电管理器276进一步被配置为中断通过充电元件274对电池组电池200的充电。使用电压波动作为停止充电过程的触发信号可防止过充和/或进一步的枝晶形成。
图3描绘了根据本公开的金属离子电池组电池300的另一示例性实施方案。电池组电池300包括第一集流体302、阳极304、隔膜306、阴极308、第二集流体310和沉积偏置元件312。隔膜306安置在阳极304与阴极308之间。阳极304安置在第一集流体302与隔膜306之间。阴极308安置在隔膜306与第二集流体310之间。
在一些实施方案中，沉积偏置元件312包含涂覆到邻近第一集流体302的阳极304多孔结构314的第一部分322上的电子导电材料涂层320。
多孔结构314的第二部分324未被涂层322涂覆，并且是纯离子导电的，即不是电子导电的。因此，使金属离子沉积偏离第二部分324并偏向第一部分322。可使用任何可接受的电子导电材料，例如C、Si等。在这一实施方案中，涂层322具有纳米级厚度。
在一些实施方案中，阳极104由纯离子导电材料形成，并且纯离子导电的第二部分324来自阳极的暴露出的纯离子导电材料。在一些实施方案中，阳极304的第二部分324包括另一离子导电材料涂层。
在一些实施方案中，整个阳极104被离子导电材料涂覆，并且第一部分322的涂层320安置在离子导电材料上方。在一些这样的实施方案中，电池组电池300的局部阻抗可用作管理电池组电池300的充电倍率的变量。阳极304的阻抗取决于阳极304中的金属离子的填充分数和被金属离子填充的阳极304部分的厚度的至少一种。因此，在一些实施方案中，电池组电池充电器或电池组管理器被配置为参考阳极304和整个电池组电池300的一个或多个的阻抗而调节电池组电池300的充电倍率。
在一些实施方案中，第一部分322代表阳极304的大部分，且第二部分324为小部分。在各种实施方案中，第一部分322和第二部分324代表阳极204的不同比例。第一部分322相对于第二部分324的较高比例对应于电池组电池300的较高的枝晶控制和较低的充电倍率，而较低比例对应于较低的枝晶控制和较高的充电倍率。
在一些实施方案中，阳极的多孔结构由通过电纺丝法产生的纤维网形成。电纺丝是一种纤维生产方法，其使用电力拉拔材料，如聚合物、陶瓷或聚合物陶瓷组分的带电线直至大约几百纳米的纤维直径。经由带正电的针式喷射器泵送或喷射材料的分散体或溶液，并作为纤维拉出到带负电的衬底上。
在各种实施方案中，由离子导电材料如LIC材料、聚合物材料或其组合通过电纺丝形成纤维。在一些实施方案中，纤维内的材料粒子具有均一尺寸。在一些实施方案中，纤维内的材料粒子具有各种尺寸。纤维内的粒度分布能使纤维更密堆积，即高于形成纤维的（一种或多种）材料的逾渗阈值，这可提高在给定体积下的材料浓度并改进纤维内的粒子间接触。
如下文更详细论述，在各种实施方案中，金属离子电池组的阳极由离子导电陶瓷材料的电纺丝纤维、由离子导电陶瓷材料和聚合物材料的电纺丝纤维、由玻璃化离子导电材料的电纺丝纤维、由成型为网并用离子导电陶瓷材料涂层涂覆的聚合物材料的电纺丝纤维形成。这样的阳极具有相对于常规阳极低的重量密度，从而能够相对于常规电池组电池实现电池组电池中的高能量密度。
图4描绘了由电纺丝纤维形成阳极的示例性方法400。在方框402，将材料粒子电纺丝成纤维。材料粒子包含离子导电材料。可使用任何可接受的离子导电材料，例如LIC材料。在一些实施方案中，材料粒子另外包括与离子导电材料的粒子共混的聚合物材料的粒子。在一些实施方案中，聚合物材料是离子导电聚合物，如离子导电陶瓷聚合物。在使用离子导电聚合物材料粒子的一些实施方案中，在电纺丝前，用溶剂吸入法（未显示）处理聚合物材料粒子以引入盐。
在方框404，将电纺丝纤维沉积到衬底上以形成网。在一些实施方案中，衬底是电池组组件，如集流体或隔膜，且沉积纤维包括如下文更详细论述的加热过程以将纤维接合到衬底上。在一些实施方案中，将衬底配置为释放该网以形成独立式阳极。
图5描绘了由电纺丝纤维形成阳极的示例性方法500。在方框502，将聚合物材料粒子电纺丝成纤维，并在方框504，将纤维沉积到衬底上以形成网。在方框506，将离子导电陶瓷材料涂层涂覆到该网的一部分纤维上。可使用任何可接受的离子导电陶瓷材料，例如LIC材料。可使用任何可接受的涂覆法。在一些实施方案中，通过将该网浸涂到离子导电陶瓷材料的熔体中而施加涂层。在一些实施方案中，用包含LIC材料作为溶质的溶液处理该网。在一些实施方案中，用涂层涂覆整个网。在一些实施方案中，涂覆部分小于整个网。在方框508，对该网施加加热过程以将涂层固化到纤维上。
图6描绘了用于形成金属离子电池组电池的示例性方法600。在方框602，通过电纺丝法形成具有纤维的多孔结构的阳极。在方框604，将沉积偏置元件施加到阳极和第一集流体的至少一个上。在一些实施方案中，将晶种层施加到第一集流体上。在一些实施方案中，将晶种层施加到阳极的第一面上。在一些实施方案中，将枝晶猝灭层施加到阳极的与第一面相反的第二面上。
在方框606，将阳极安置在第一集流体与隔膜之间以使阳极的第一表面与第一集流体形成第一界面，且阳极的第二表面与隔膜形成第二界面。在一些实施方案中，在方框602的电纺丝法包括将纤维直接沉积到第一集流体或隔膜上。在一些实施方案中，安置阳极包括从电纺丝衬底上释放阳极。在方框608，将第一集流体、阳极和隔膜接合在一起。可使用任何可接受的接合法，例如局部退火法，如聚焦激光加热，或低温烧结法。在方框610，将阴极和第二集流体或包括阴极和第二集流体的组装件接合到隔膜的与阳极相反的一面上，以使阴极位于隔膜和第二集流体之间，从而形成电池组电池。
尽管上述几个实施方案涉及Li离子和Li金属电池组电池和组件，但应该理解的是，上述特征和技术可类似地应用于其它金属和金属离子。此外，尽管上述几个实施方案涉及单个电池组电池，但要认识到，可将多个电池组电池串联和/或并联组合成电池组。
要认识到，上述和其它特征和功能的变体，或其替代物可合意地组合到许多其它不同的***、应用或方法中。本领域技术人员可以随后作出各种目前不可预见或不曾预料的替代、修改、变动或改进，它们也意在被上述公开涵盖。

Claims (15)

1.电池组电池，其包括：
第一集流体；
隔膜；
安置在第一集流体与隔膜之间的阳极，所述阳极包含具有多孔结构的离子导电材料；和
至少一个沉积偏置元件，其安置在电池组电池内以在电池组电池的充电过程中使阳极内的离子沉积偏离隔膜。
2.权利要求1的电池组电池，其中所述离子导电材料是Li基陶瓷材料。
3.权利要求1的电池组电池，其中所述至少一个沉积偏置元件包括晶种层，所述晶种层具有与离子导电材料传导的离子对应的金属材料的离散浓度，所述晶种层安置在第一集流体与隔膜之间以更靠近第一集流体而非隔膜，并被配置为使阳极内的离子沉积偏向第一集流体。
4.权利要求3的电池组，其中将所述电池组电池配置为在完全放电状态下，与离子导电材料传导的离子对应的金属材料的总量的大约20重量%保持位于晶种层内。
5.权利要求1的电池组电池，其中所述至少一个沉积偏置元件包括枝晶猝灭层，所述枝晶猝灭层具有被配置为与离子导电材料传导的离子对应的金属材料形成合金的材料，所述枝晶猝灭层安置在阳极与隔膜之间的界面区域中，并被配置为使阳极内的离子沉积偏离隔膜。
6.权利要求1的电池组电池，其中所述至少一个沉积偏置元件包括涂覆到邻近第一集流体的阳极多孔结构的一部分上的电子导电涂层，所述电子导电涂层被配置为使阳极内的离子沉积偏向第一集流体并偏离隔膜。
7.权利要求1的电池组电池，其中：
所述阳极包括由聚合物材料纤维形成的基底；且
所述离子导电材料是涂覆到聚合物材料纤维上以形成多孔结构的涂层。
8.权利要求1的电池组电池，其中所述阳极具有大约60%至大约90%的孔隙率。
9.形成电池组电池的方法，其包括：
通过将材料粒子电纺丝成网而形成包含离子导电材料的阳极；
将至少一个沉积偏置元件施加到阳极和第一集流体的至少一个上；和
将阳极安置在第一集流体与隔膜之间以使第一集流体与阳极的第一面形成第一界面，并使阳极的第二面与隔膜形成第二界面；和
将第一集流体和隔膜接合到阳极上。
10.权利要求9的方法，其中施加所述至少一个沉积偏置元件包括在第一集流体与隔膜之间施加晶种层以更靠近第一集流体而非隔膜，所述晶种层包含与离子导电材料传导的离子对应的金属材料的离散浓度，且所述晶种层被配置为在充电过程中使阳极内的离子沉积偏向第一集流体。
11.权利要求9的方法，其中施加所述至少一个沉积偏置元件包括将枝晶猝灭层施加到阳极的第二面上，所述枝晶猝灭层包含被配置为与离子导电材料传导的离子对应的金属材料形成合金的材料，且所述枝晶猝灭层被配置为在充电过程中使阳极内的离子沉积偏离隔膜。
12.权利要求9的方法，其中施加所述至少一个沉积偏置元件包括将电子导电材料涂层施加到邻近第一面的阳极的一部分上，阳极的其余部分是纯离子导电的，以在充电过程中使阳极内的离子沉积偏向第一集流体并偏离隔膜。
13.权利要求9的方法，其进一步包括：
将阴极和第二集流体接合到隔膜的与阳极相反的一面上，以将阴极安置在隔膜与第二集流体之间。
14.权利要求13的方法，其中阳极、隔膜和阴极是固态的，以使所述电池组电池是固态电池组电池。
15.权利要求9的方法，其中所述离子导电材料是Li基陶瓷材料。
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