Дисперсия металлического лития в электродах

Дисперсия металлического лития в электродах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет и включает в себя посредством данной ссылки во всей их полноте содержания следующих заявок Соединенных Штатов Америки: заявка на патент США, озаглавленная “ДИСПЕРСИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТИЯ В ЭЛЕКТРОДАХ”, поданная 28 июля 2004 г.; предварительная заявка на патент США № 60/490685, поданная 29 июля 2003 г.; и предварительная заявка на патент США № 60/491513, поданная 31 июля 2003 г.

Область техники

Данное изобретение относится ко вторичным батареям, имеющим высокие удельные емкости и, в частности, к электродам, содержащим материал-хозяин и диспергированный в этом материале-хозяине металлический литий.

Уровень техники

Литиевые и литий-ионные вторичные или перезаряжающиеся батареи нашли свое применение в определенных устройствах, таких как сотовые телефоны, видеокамеры и портативные компьютеры, а в последнее время - в более мощных устройствах, таких как электрические транспортные средства и гибридные электрические транспортные средства. В этих видах применения является предпочтительным, чтобы вторичные батареи имели как можно более высокую удельную емкость и при этом обеспечивали безопасные условия эксплуатации и хорошую циклируемость с тем, чтобы при последующих циклах перезарядки и разрядки эта высокая удельная емкость сохранялась.

Несмотря на существование различных конструкций вторичных батарей каждая конструкция включает в себя положительный электрод (или катод), отрицательный электрод (или анод), разделитель (сепаратор), разделяющий катод и анод, и электролит, находящийся в электрохимической связи с катодом и анодом. В случае вторичных литиевых батарей ионы лития переносятся от анода к катоду через электролит во время разряжения такой вторичной батареи, т.е. когда она используется по своему прямому назначению. Во время процесса разрядки электроны снимаются с анода и переходят к катоду через внешнюю цепь. При зарядке или перезарядке вторичной батареи ионы лития переносятся от катода к аноду через электролит.

Исторически вторичные литиевые батареи изготавливали с использованием в качестве активных катодных материалов нелитиированных соединений с высокими удельными емкостями, таких как TiS₂, MoS₂, MnO₂ и V₂O₅. Такие активные катодные материалы были связаны с анодом из металлического лития. При разрядке такой вторичной батареи ионы лития переносились от анода из металлического лития к катоду через электролит. К сожалению, при циклировании металлический литий образовывал дендриты, которые в конце концов создавали в батарее небезопасные условия. В результате производство вторичных батарей таких типов было прекращено в начале 1990 гг. в пользу литий-ионных батарей.

В литий-ионных батареях в качестве активных катодных материалов обычно используют оксиды лития и другого металла, такие как LiCoO₂ и LiNiO₂, соединенные с анодом на основе углерода. В таких батареях образования литиевых дендритов на аноде не происходит, что делает батарею более безопасной. Однако литий, количество которого определяет емкость батареи, полностью поступает из катода. Это ограничивает выбор активных катодных материалов, поскольку эти активные материалы должны содержать удаляемый литий. Кроме того, делитиированные продукты, соответствующие LiCoO₂ и LiNiO₂ и образующиеся во время зарядки (например, Li_хCoO₂ и Li_хNiO₂, в которых 0,4<x<1,0) и избыточной зарядки (т.е. Li_хCoO₂ и Li_хNiO₂, в которых x<0,4), являются нестабильными. В частности, такие делитиированные продукты проявляют тенденцию к взаимодействию с электролитом и выделению тепла, что вызывает проблемы с безопасностью.

Более того, новые литий-ионные элементы или батареи первоначально находятся в разряженном состоянии. Во время первой зарядки литий-ионного элемента литий движется между электродами, например, от катодного материала, такого как LiCoO₂ или LiNiO₂, к анодному материалу, такому как графит. Литий, движущийся от катода к аноду, реагирует с материалом присутствующего в элементе электролита, вызывая образование пассивирующей пленки на аноде. Эта пассивирующая пленка, образующаяся на аноде, представляет собой границу раздела из твердого электролита или SEI (от англ. «solid electrolyte interface»). При последующей разрядке литий, затраченный на образование SEI, не возвращается к катоду. Это приводит к тому, что емкость литий-ионного элемента снижается по сравнению с первоначальной зарядной емкостью, поскольку некоторая часть лития была затрачена на образование SEI. Потребление имеющегося в распоряжении лития снижает емкость литий-ионного элемента. Такое явление называют «необратимой емкостью» и, как известно, оно потребляет примерно от 10% до 20% емкости литий-ионного элемента. Таким образом, после первоначальной зарядки литий-ионного элемента такой элемент теряет примерно от 10% до 20% всей своей емкости.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к абсорбированию (поглощению) и десорбированию лития в электрохимической системе, а более конкретно - к электродам, предназначенным для использования в такой системе. Настоящее изобретение также относится к батарее или электрохимическому элементу (химическому источнику тока), включающему в себя электрод, содержащий металлический литий, диспергированный в материале-хозяине, способном абсорбировать и десорбировать литий в электрохимической системе. Батареи и/или электрохимические элементы, включающие в себя электроды согласно вариантам воплощения данного изобретения, могут проявлять высокие удельные емкости, хорошую циклируемость и улучшенную безопасность при эксплуатации.

В данном изобретении подразумевается, что термин «батарея» может означать единственный электрохимический элемент или, иначе говоря, отдельный элемент, и/или один или более электрохимических элементов, соединенных последовательно и/или параллельно, как известно специалистам в данной области техники. Более того, термин «батарея» охватывает, но не ограничивается ими, перезаряжаемые батареи, и/или вторичные батареи (аккумуляторы), и/или электрохимические элементы.

Батарея согласно вариантам воплощения данного изобретения может включать в себя положительный электрод (катод), содержащий активный материал; отрицательный электрод (анод), содержащий материал-хозяин, способный абсорбировать и десорбировать литий в электрохимической системе, и металлический литий, диспергированный в этом материале-хозяине; разделитель (сепаратор), разделяющий катод и анод; и электролит, находящийся в связи с катодом и анодом. Активный катодный материал представляет собой соединение, которое может быть литиировано при электрохимическом потенциале от 2,0 В до 5,0 В относительно лития. Например, основой для активного катодного материала может служить марганец, ванадий, титан или молибден в виде MnO₂, V₂O₅, V₆O₁₃, LiV₃O₈, MoO₃, TiS₂ или MoS₂ либо их смесь. Активный катодный материал может включать в себя металлический литий, такой как порошок лития, внедренный в активный катодный материал, который может быть литиирован, такой как, например, MnO₂, V₂O₅, V₆O₁₃, LiV₃O₈, MoO₃, TiS₂ или MoS₂ либо их смесь. Анодный материал-хозяин может включать в себя один или более материалов, выбранных их группы, состоящей из углеродсодержащих материалов, Si, кремнийсодержащих материалов, таких как кремний, диспергированный в углероде, оксидов кремния, Sn, оксидов олова, сложных (композитных) сплавов олова и интерметаллидов, оксидов переходных металлов, нитридов лития-металла и оксидов лития-металла. Анодный материал-хозяин предпочтительно включает в себя углеродсодержащий материал, а более предпочтительно - содержит графит. По меньшей мере часть металлического лития, диспергированного в таком материале-хозяине, предпочтительно представляет собой тонкоизмельченный порошок лития, а в других вариантах воплощения - тонкоизмельченный порошок лития, имеющий средний размер частиц менее примерно 20 микрон. Количество металлического лития, диспергированного в аноде, предпочтительно не превышает то максимальное количество, которое достаточно для интеркалирования в материал-хозяин, сплавления с материалом-хозяином и/или абсорбирования материалом-хозяином в аноде. Например, если материал-хозяин представляет собой углерод, то количество лития, диспергированного в материале-хозяине, предпочтительно не превышает то количество, которое необходимо для образования LiC₆. Однако перед формированием электрода или анода в материале-хозяине может быть диспергировано дополнительное количество лития для способствования предварительному литиированию материала-хозяина. Электролит и разделитель могут представлять собой различные материалы, такие как, например, пористый разделитель и текучий (жидкий) электролит, либо могут включать в себя единую структуру или материал, такой как гелеобразный полимер, выполняющий функции как разделителя, так и электролита.

Варианты воплощения настоящего изобретения также охватывают способы получения электрода для батареи, включающие в себя обеспечение материала-хозяина, способного абсорбировать и десорбировать литий в электрохимической системе, диспергирование металлического лития в этом материале-хозяине, и формирование материала-хозяина и диспергированного в нем металлического лития в виде электрода, например анода. В некоторых вариантах воплощения материал-хозяин может быть предварительно литиирован путем объединения материала-хозяина с порошком металлического лития для способствования литиированию материала-хозяина путем смешивания и/или использования теплоты и/или давления. Металлический литий и материал-хозяин предпочтительно смешивают вместе с полимерным связующим и по меньшей мере одним растворителем с получением пасты. Эту пасту наносят на токосниматель и сушат с формированием электрода. Альтернативно электрод может быть сформирован химическими средствами путем погружения материала-хозяина в суспензию металлического лития в неводной жидкости, а затем формирования материала-хозяина в виде электрода.

В других вариантах воплощения настоящего изобретения перед использованием материал-хозяин может быть литиирован в расплавленном металлическом литии с формированием электрода. Материал-хозяин диспергируют в расплавленном металлическом литии, где он литиируется. Твердый литиированный материал-хозяин может быть отделен от расплавленного металлического лития и использован для формирования электродов согласно вариантам воплощения настоящего изобретения.

Согласно другим вариантам воплощения изобретения порошок металлического лития необязательно вводят внутрь материала-хозяина, используемого для формирования электрода. Электрод, способный к литиированию и делитиированию, может быть сформирован путем наслоения, вжигания или какого-либо иного прикрепления (присоединения) или заделывания (внедрения) литиевой фольги или литиевой сетки в заранее изготовленный электрод. Перед таким прикреплением фольги или сетки из металлического лития электрод может включать или не включать в себя металлический литий.

Настоящее изобретение также охватывает способы эксплуатации батареи. Батарею согласно некоторым вариантам воплощения данного изобретения поставляют в заряженном состоянии. Батарея предпочтительно находится в полностью заряженном состоянии, при этом весь удаляемый литий, присутствующий в батарее, находится в ее аноде. Батарея разряжается путем передачи ионов лития от анода к катоду через электролит или сочетание электролит/разделитель. Батарея может быть заряжена или перезаряжена путем передачи ионов лития от катода к аноду через электролит, а затем вновь разряжена путем передачи ионов лития от анода к катоду. Стадии зарядки и разрядки могут происходить много раз при сохранении высоких удельных емкостей активных катодных материалов и поддержании безопасных условий эксплуатации.

В других вариантах воплощения батарея может быть поставлена в незаряженном состоянии, как в случае с известными литий-ионными батареями. Металлический литий может присутствовать в аноде и катоде. Например, анод традиционной литий-ионной батареи может быть заменен анодом, включающим в себя литий и/или частично или полностью литиированные материалы-хозяева согласно вариантам воплощения настоящего изобретения. Введение электролита в такую батарею способствует реакции между электролитом и металлическим литием в аноде с образованием границы раздела из твердого электролита (SEI) на аноде. Зарядка батареи в первый раз может ускорить образование SEI. Образование SEI из металлического лития на аноде может снизить и/или устранить потери емкости в батарее вследствие потерь на необратимую емкость, вызываемые расходованием лития из катода на SEI.

Эти и другие признаки настоящего изобретения станут более очевидными для специалистов в данной области техники после изучения следующего подробного описания и прилагаемых чертежей, иллюстрирующих как предпочтительные, так и альтернативные варианты воплощения настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение станет более понятным из следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует упрощенную конструкцию вторичной батареи в соответствии с данным изобретением, включающей в себя катод, анод, разделитель и электролит;

Фиг. 2 иллюстрирует результаты испытания с помощью прибора для сканирования реакционной системы из циклогексана, лития и тройного полимера этилена-пропилена-диена (EPDM);

Фиг. 3 иллюстрирует результаты испытания с помощью прибора для сканирования реакционной системы из диметилпропиленмочевины с порошком лития;

Фиг. 4 иллюстрирует электрод согласно вариантам воплощения настоящего изобретения; и

Фиг. 5 иллюстрирует электрод согласно вариантам воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

На чертежах и в нижеследующем подробном описании варианты настоящего изобретения описываются подробно для обеспечения возможности его практической реализации. Несмотря на то что изобретение описано со ссылкой на его конкретные варианты воплощения, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается представленными вариантами воплощения. Изобретение охватывает многочисленные альтернативные, модифицированные и эквивалентные варианты, которые станут очевидными после ознакомления со следующим ниже подробным описанием и прилагаемыми чертежами.

Как показано на фиг. 1, варианты воплощения настоящего изобретения касаются батареи 10, включающей в себя положительный электрод или катод 12, отрицательный электрод или анод 14 и материал 16. Материал 16 может включать в себя разделитель для разделения катода 1 и анода 14. Материал 16 может также включать в себя электролит, находящийся в электрохимической связи с катодом 12 и анодом 14. Батарея 10 также включает в себя токосниматель 20, находящийся в электрическом контакте с катодом 12, и токосниматель 22, находящийся в электрическом контакте с анодом 14. Токосниматели 20 и 22 могут находиться в электрическом контакте друг с другом через внешнюю цепь (не показана). Батарея 10 может иметь любую конструкцию, известную в данной области техники, такую как «катушка с гелем» (от англ. «jelly roll»), пакетная (многослойная) конструкция или т.п. Хотя различные варианты воплощения настоящего изобретения описаны со ссылкой на аноды и катоды, подразумевается, что упомянутые варианты воплощения настоящего изобретения применяются к электродам в целом и не ограничены только анодом или катодом.

Катод 12 сформирован из активного материала, который обычно объединен с углеродсодержащим материалом и полимерным связующим. Активный материал катода 12 предпочтительно представляет собой материал, который может быть литиирован и/или делитиирован при соответствующем напряжении (например, от 2,0 В до 5,0 В относительно лития). Предпочтительно в качестве активного материала могут быть использованы нелитиированные материалы на основе марганца, ванадия, титана или молибдена, такие как MnO₂, V₂O₅, V₆O₁₃, LiV₃O₈, MoO₃, TiS₂ или MoS₂ либо их смеси. Более предпочтительно в качестве активного катодного материала используют MnO₂. Однако для формирования катода 12 также могут быть использованы литиированные материалы. Например, могут быть использованы LiMn₂O₄ или LiV₃O₈. Кроме того, активный материал может представлять собой материал, смешанный с литием. Например, активный материал может быть смешан с порошком лития.

Нелитиированные активные материалы являются предпочтительными в качестве активного материала катода 12, поскольку они обычно имеют более высокие удельные емкости, чем литиированные активные материалы и могут обеспечить повышенную мощность по сравнению с батареями, включающими в себя литиированные активные материалы. Более того, поскольку анод 14 включает в себя литий, отсутствует необходимость включения в катод 12 литиированного материала для того, чтобы батарея 10 работала. Количество активного материала, содержащегося в катоде 12, предпочтительно является достаточным для принятия всего удаляемого лития, присутствующего в аноде 14. Например, если активным материалом катода 12 является MnO₂, то в катоде 12 предпочтительно присутствует один моль MnO₂ на моль лития в аноде 14 для получения LiMnO₂ в катоде 12 после разрядки.

Удаляемый литий, циклируемый в батарее, может быть обеспечен анодом 14, при этом батарея может быть собрана или получена в полностью заряженном состоянии. Получение батареи в полностью заряженном состоянии позволяет использовать для формирования катода 12 нелитиированные активные материалы, способные к литиированию. В других вариантах воплощения для формирования катода 12 с нелитиированными активными материалами, способными к литиированию, может быть смешан порошок лития, с получением разряженного катода в батарее. Тем не менее, катод 12 может также включать в себя небольшое количество одного или более литиированных активных материалов (например, LiCoO₂ или LiNiO₂), которые более не поглощают литий при напряжении от 2,0 В до 5,0 В, при этом батарея все еще может быть получена в первично заряженном состоянии. Катод 12 может также включать в себя металлический литий (например, порошок лития). Катод предпочтительно содержит менее 50% (мольных), а более предпочтительно - менее 10% (мольных) литиированного материала (например, LiCoO₂, LiNiO₂ или порошка лития) в качестве активного материала. Поскольку LiCoO₂ и LiNiO₂ более не поглощают литий при напряжении выше 2,0 В, то присутствие таких материалов в катоде 12 не снижает количество активного катодного материала, необходимого для принятия лития, удаляемого из анода 14.

Анод 14 может быть сформирован из материала-хозяина 24, способного абсорбировать (поглощать) и десорбировать литий в электрохимической системе с металлическим литием 26, диспергированным в материале-хозяине. Например, литий, присутствующий в аноде 14, может интеркалироваться в материал-хозяин 24, сплавляться с или абсорбироваться материалом-хозяином 24 при перезарядке батареи (и, в частности, анода 14). Материал-хозяин 24 включает в себя материалы, способные абсорбировать и десорбировать литий в электрохимической системе, такие как углеродсодержащие материалы; материалы, содержащие Si, Sn, оксиды олова или композитные сплавы олова и интерметаллиды; оксиды переходных металлов, такие как СоО; нитриды лития-металла, такие как Li_3-хCo_хN, где 0<x<0,5, и оксиды лития-металла, такие как Li₄Ti₅O₁₂. Предпочтительно материал-хозяин 24 содержит графит. Кроме того, материал-хозяин 24 может включать в себя небольшое количество углеродной сажи (технического углерода) (например, менее 5% по массе) в качестве проводящего агента. Металлический литий 26 предпочтительно присутствует в аноде 14 в виде тонкоизмельченного порошка лития. Более предпочтительно металлический литий 26 имеет средний размер частиц менее примерно 20 микрон, а еще более предпочтительно - менее примерно 10 микрон, хотя также могут быть использованы частицы большего размера. Металлический литий может присутствовать в виде пирофорного порошка или в виде стабилизированного порошка с низкой пирофорностью, например, путем обработки порошка металлического лития с помощью СО₂.

Анод 14 способен обратимо литиироваться и делитиироваться при электрохимическом потенциале относительно металлического лития от более 0,0 В до менее 1,5 В или равного последнему значению. Если электрохимический потенциал относительно лития составляет 0,0 В или менее, то металлический литий не будет повторно входить (возвращаться) в анод 14 во время зарядки. Альтернативно, если электрохимический потенциал относительно лития составляет более 1,5 В, то напряжение батареи будет нежелательно низким. Предпочтительно количество металлического лития 26, присутствующего в аноде 14, не превышает максимального количества, достаточного для интеркалирования в материал-хозяин 24, сплавления с или абсорбирования материалом-хозяином 24 в аноде 14 при перезарядке батареи. Например, если материал-хозяин 24 представляет собой графит, то количество лития 26 предпочтительно не превышает того количества, которое достаточно для получения LiC₆. Иными словами, молярное отношение лития к углероду в аноде предпочтительно не превышает 1:6. Однако в других вариантах воплощения материал-хозяин 24 в аноде 14 может быть предварительно литиирован таким образом, что общее отношение лития к углероду или, иными словами, к материалу-хозяину 24 превышает 1:6.

В соответствии с вариантами воплощения данного изобретения анод 14 может быть получен путем обеспечения материала-хозяина 24, который является способным абсорбировать и десорбировать литий в электрохимической системе, диспергирования металлического лития 26 в материале-хозяине 24 и формирования материала-хозяина 24 и диспергированного в нем металлического лития 26 в виде анода 14. Материал-хозяин 24 также может быть предварительно литиирован перед формированием анода 14. Предпочтительно металлический литий 26 и материал-хозяин 24 смешивают с неводной жидкостью и связующим, получая пасту. Затем эту пасту используют для формирования анода 14, например, путем нанесения на токосниматель 22 пасты, а затем сушки этой пасты.

Формирование анода 14 или электрода другого типа согласно вариантам воплощения данного изобретения осуществляют, объединяя порошок металлического лития, материал-хозяин в виде мелких частиц, полимерное связующее и растворитель с образованием пасты. Эта паста может быть нанесена в виде покрытия на токосниматель и высушена с формированием анода 14. Например, порошок металлического лития может быть объединен с материалом-хозяином в виде мелких частиц, таким как микрошарики мезоуглерода (МСМВ, от англ. «meso carbon micro beads»), графит, углеродная сажа или другие литий-ионные анодные материалы, с образованием смеси. С этой смесью могут быть объединены полимерное связующее и растворитель для получения желаемой пасты. Для формирования анода 14 эту пасту наносят на токосниматель, такой как медная фольга или сетка, и дают ей возможность высохнуть. Высушенную пасту на токоснимателе, которые вместе образуют электрод, прессуют, завершая формирование анода 14. Прессование электрода после сушки уплотняет электрод таким образом, что активный материал приобретает объем анода 14. Прессование электрода обычно включает в себя его пропускание через пару или ряд пар полированных валков с заданным зазором между двумя валками, либо использование другого способа прессования. Прессование может быть также осуществлено при заданном давлении. Сочетание высушенной пасты и токоснимателя дает анод 14.

В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения может оказаться желательным предварительно литиировать материал-хозяин 24. В данном изобретении термины «предварительно литиировать» и/или «предварительное литиирование», используемые в отношении материала-хозяина 24, означают литиирование материала-хозяина 24 перед контактом материала-хозяина с электролитом. Предварительное литиирование материала-хозяина способно снизить необратимые потери емкости батареи, вызванные необратимой реакцией между частицами порошка металлического лития в электроде с электролитом, параллельно с литиированием материала-хозяина.

Предварительное литиирование материала-хозяина 24 согласно вариантам воплощения данного изобретения предпочтительно происходит путем приведения материала-хозяина 24 в контакт с металлическим литием. Например, материал-хозяин 24 может быть приведен в контакт с сухим порошком металлического лития или порошком металлического лития, суспендированным в текучей среде или растворе. Контакт между порошком металлического лития и материалом-хозяином 24 приводит к литиированию материала-хозяина, тем самым обеспечивая предварительное литиирование материала-хозяина 24.

В некоторых вариантах воплощения материал-хозяин 24 и сухой порошок металлического лития смешивают вместе таким образом, что по меньшей мере часть материала-хозяина 24 приходит в контакт с по меньшей мере частью порошка металлического лития. Для способствования контакту материала-хозяина 24 и порошка металлического лития может быть использовано энергичное перемешивание или другое размешивание. Контакт между порошком металлического лития и материалом-хозяином 24 приводит к частичному литиированию материала-хозяина 24, обеспечивающему получение предварительно литиированного материала-хозяина 24.

Предварительное литиирование материала-хозяина 24 может быть осуществлено при комнатной температуре. Однако в различных вариантах воплощения настоящего изобретения предварительное литиирование материала-хозяина 24 осуществляют при температурах выше примерно 40°С. Предварительное литиирование при температурах выше комнатной температуры или выше примерно 40°С повышает взаимодействие и/или диффузию между порошком металлического лития и материалом-хозяином 24, увеличивая количество материала-хозяина 24, которое может быть литиировано за данный период времени.

При воздействии температур выше комнатной температуры порошок металлического лития становится более мягким и/или более пластичным. При смешивании с другим веществом более мягкий порошок металлического лития вступает в больший контакт со смешиваемым с ним веществом. Например, взаимодействие и/или диффузия между смесью порошка металлического лития и перемешиваемым материалом-хозяином 24 является меньшим(ей) при комнатной температуре, чем в том случае, когда температуру смеси поднимают выше комнатной температуры. Улучшение контакта между порошком металлического лития и реакционноспособным веществом, таким как материал-хозяин 24, повышает уровень литиирования реакционноспособного вещества. Поэтому в результате повышения температуры смеси из порошка металлического лития и материала-хозяина 24 взаимодействие и/или диффузия между двумя этими веществами усиливается, что также повышает уровень литиирования материала-хозяина 24.

В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения температуру смеси порошка металлического лития и материала-хозяина 24 повышают для способствования литиированию материала-хозяина 24. Температуру смеси предварительно поддерживают на уровне или ниже точки плавления лития. Хотя повышенная температура способствует литиированию, для таких реакций литиирования предпочтительной является порошковая форма металлического лития. Например, температура смеси порошка металлического лития и материала-хозяина 24 может быть повышена до примерно 180°С или менее для способствования литиированию материала-хозяина 24. Более предпочтительно температура смеси порошка металлического лития и материала-хозяина 24 может быть повышена до уровня от примерно 40°С до примерно 150°С для способствования литиированию материала-хозяина 24. Литиирование таким образом материала-хозяина 24 приводит к получению предварительно литиированного материала-хозяина 24.

В других вариантах воплощения материал-хозяин 24 вводят в раствор, содержащий порошок металлического лития. Такой раствор может включать в себя, например, минеральное масло и/или другие растворители или жидкости, предпочтительно являющиеся инертными или не реагирующими с порошком металлического лития в растворе. В случае смешивания с раствором этот раствор предпочтительно перемешивают таким образом, чтобы способствовать контакту между материалом-хозяином 24 и порошком металлического лития. Контакт между материалом-хозяином 24 и порошком металлического лития способствует литиированию материала-хозяина 24 и приводит к получению предварительно литиированного материала-хозяина 24, который может быть использован для формирования электрода.

В других вариантах воплощения настоящего изобретения литий вводят в электрод из источников, отличных от порошков металлического лития. Материал-хозяин 24 может быть литиирован в расплавленном металлическом литии. Добавление порошкового материала-хозяина 24 или частиц материала-хозяина 24 к расплавленному металлическому литию способствует контакту между материалом-хозяином 24 и металлическим литием, что приводит к литиированию материала-хозяина 24. Перемешивание смеси материала-хозяина 24 и расплавленного металлического лития еще больше способствует литиированию материала-хозяина 24. Получаемый в результате литиированный материал-хозяин 24 представляет собой твердое вещество, которое может быть отделено от расплавленного металлического лития и использовано для изготовления электродов с использованием способов, подобных описанным здесь.

Например, порошковый графит может быть смешан с расплавленным металлическим литием, в результате чего расплавленный металлический литий по существу смачивает порошковый графит. Контакт между порошковым графитом и расплавленным металлическим литием приводит к частичному литиированию порошкового графита. Кроме того, перемешивание смеси порошкового графита и расплавленного металлического лития способствует контакту между порошковым графитом и расплавленным металлическим литием, что приводит к литиированию порошкового графита. Твердые частицы литиированного графита могут быть удалены из расплавленного металлического лития при помощи известных способов удаления твердых веществ из жидкостей, таких как фильтрация, гидроциклонное разделение или т.п. Получаемый в результате продукт представляет собой литиированный порошковый графитовый материал, который может быть использован при изготовлении электродов, таких как аноды и катоды.

В тех вариантах воплощения, в которых литиирование материала-хозяина происходит расплавленным металлическим литием, литиированный порошковый материал-хозяин 24 может быть сформирован в виде электрода с использованием способов формирования электродов согласно настоящему изобретению. В тех случаях, когда используют литиированный порошковый материал-хозяин 24, присутствие дополнительного порошка лития в электроде не является обязательным, если только в зависимости от выбора электролита не происходит первоначальной реакции пассивации между литиированным материалом-хозяином и электролитом. Поэтому в различных вариантах воплощения данного изобретения вместо материала-хозяина 24 и порошка металлического лития может быть использован литиированный порошковый материал-хозяин 24. Хотя при формировании электрода из литиированного порошкового материала-хозяина 24 дополнительный порошок металлического лития может и не потребоваться, при желании порошок металлического лития может быть добавлен, например, с целью компенсации того лития, который может быть потерян во время первоначальной реакции пассивации между литиированным материалом-хозяином и электролитом.

Согласно вариантам воплощения настоящего изобретения электроды могут быть сформированы из предварительно литиированных материалов-хозяев 24. Предварительно литиированный материал-хозяин 24, извлеченный из описанных здесь смесей или растворов, может быть отделен и использован для формирования электрода. Альтернативно смесь или раствор, содержащие часть предварительно литиированного материала-хозяина 24, могут быть использованы для формирования электрода без отделения предварительно литиированного материала-хозяина 24.

Уровень предварительного литиирования внутри материала-хозяина 24 может быть отрегулирован для того конкретного применения, для которого предназначен данный материал-хозяин 24. Процентная величина предварительного литиирования у предварительно литиированных материалов-хозяев 24 может составлять от 0% до 100%. Иными словами, материалы-хозяева 24 могут быть литиированы полностью или всего лишь частично. Электроды, сформированные согласно вариантам воплощения настоящего изобретения, предпочтительно включают в себя предварительно литиированный материал-хозяин 24.

Количество лития, необходимого для формирования электрода с использованием предварительно литиированного материала-хозяина 24 согласно вариантам воплощения настоящего изобретения, может варьироваться в зависимости от уровня предварительного литиирования материала-хозяина 24. Чем выше уровень предварительного литиирования в материале-хозяине 24, тем меньшее количество лития должно присутствовать в электроде. Например, если материал-хозяин 24 анода предварительно литиирован таким образом, что было литиировано девяносто процентов того материала-хозяина 24, который будет литиироваться, то потребуется меньшее количество лития для формирования анода.

Предварительное литиирование материала-хозяина 24 также может быть осуществлено с использованием давления. Воздействие давления на смесь порошка металлического лития и материала-хозяина 24 улучшает контакт между порошком металлического лития и материалом-хозяином 24, тем самым способствуя литиированию материала-хозяина 24.

Согласно вариантам воплощения настоящего изобретения смесь порошка металлического лития и материала-хозяина 24 прессуют для улучшения контакта между порошком металлического лития и материалом-хозяином 24. Смесь может быть подвергнута прессованию с помощью различных способов приложения повышенного давления к веществу или соединению. Улучшенный благодаря давлению контакт способствует литиированию материала-хозяина 24.

В других вариантах воплощения данного изобретения давление прикладывают к смеси порошка металлического лития и материала-хозяина 24 для способствования литиированию материала-хозяина 24. Приложение давления может быть осуществлено, например, путем каландрирования и/или использования штампа (матрицы) в сочетании со способностью поддаваться предварительной резке либо любыми другими способами, выбор которых зависит от профессионализма специалиста в данной области техники.

Согласно вариантам воплощения настоящего изобретения порошок металлического лития и графит, т.е. материал-хозяин смешивают и прессуют с тем, чтобы определить, произошли ли в смеси какие-либо изменения. В проведенных экспериментах смеси после прессования демонстрировали изменение цвета. Изменение цвета означает, что графит или, иначе говоря, материал-хозяин 24 подвергся литиированию. Например, цвет смесей порошка металлического лития и графита менялся с черного на бронзовый. Прессованный материал имеет такой же бронзовый цвет, как и литиированный графит.

Перед прессованием или приложением давления с порошком металлического лития и материалом-хозяином 24 также могут быть смешаны другие вещества. Присутствие таких материалов может повлиять или не повлиять на литиирование материала-хозяина 24, вызванное прессованием или приложением давления. Например, перед прессованием или приложением давления металлический литий 26 и материал-хозяин 24 могут быть смешаны с полимерным