TWI528619B - 金屬鋰極板 - Google Patents

Description

金屬鋰極板

本發明係有關一種極板，特別是指一種具有閘層的金屬鋰極板。

與現有的非鋰系統之電池系統相較，以鋰為活性材料的電池系統係具有工作電壓高(3.6V)、能量密度大(120Wh/kg)、重量輕、壽命長及環保性佳等優點，在以鋰為活性材料的電池系統中，充電式金屬鋰電池是最早發展的鋰電池系統，雖然具有很高的能量密度，但由於金屬鋰的化性很強、易與電解質反應，造成金屬鋰電池有不穩定和安全性的問題。基於安全性的考量，充電式鋰電池的發展逐漸由充電式金屬鋰電池轉成充電式鋰合金電池與充電式離子鋰電池兩大系統，然而，因液態的充電式離子鋰電池中係採用含有有機溶劑的電解液，易產生揮發、燃燒的危險，且又因為電池封裝無法完全密封，因此有電解液漏液的可能，在安全性上也造成相當大的疑慮。近年來，主要針對上述鋰電池的安全性考量，多改以研發較為新型的充電式鋰高分子電池的，其係以高分子電解質取代原本有機溶劑以做為電池內的電解液，大大提高了鋰電池在使用上的安全性。

不過，近年來卻因為許多可攜式的智慧型電子產品不斷地問世，每個世代的產品為了求新求變，在產品的性能表現上係不斷地提升，因此對於電池系統而言，除了過去對於安全性的高度要求外，為了提供電子產品能具有更長的操作時間，電池系統的使用壽命又再次成為電池系統研發的重要議題，故許多電池系統的研究方向，係由追求電池系統的安全性轉向電池系統的壽命。而由過去以鋰電池系統的發展進程來說，雖然金屬鋰電池系統在過去因為安全性的因素而被中斷，但不可否認的是，由於 金屬鋰電池系統的活性材料係直接採用金屬鋰，故與其他離子鋰電池系統或鋰高分子電池系統相較，金屬鋰電池系統所提供的能量密度係大於該些鋰化合物的電池系統，但不容否認的是，金屬鋰係為一種非常活潑的金屬，若非在適當的儲存環境或是良好的操作環境下，金屬鋰本身係相當容易發生激烈的氧化還原反應。也因此，在實際的應用上，金屬鋰電池若能有效地克服其使用時的安全性疑慮並降低其在製程或儲存時的困難性，其實是非常符合現行可攜式的智慧型電子產品的需求。

有鑑於上述，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種以金屬鋰為材料的極板，以有效克服上述之該等問題。

本發明之目的在提供一種金屬鋰極板，其係利用集電層、閘層中的至少之一以密封金屬鋰層，俾使金屬鋰可直接製作成類似於一般鋰化合物所構成的極板結構，故僅需應用在現行的製程技術即可製作出能量密度高於一般鋰化合物的電池系統。

本發明之另一目的在提供一種金屬鋰極板，其中的閘層係可在介質作用下與離子鋰及/或金屬鋰層發生合金化反應，故可讓閘層的原結構逐漸轉變為微粒化鋰合金物質的型態並且使之整體體積膨脹(因為堆積不緊密產生大量孔隙)，並提供離子鋰與金屬鋰層進行電化學反應的路徑。

本發明之又一目的在提供一種金屬鋰極板，其係可將一般的正極極板直接組裝於金屬鋰極板以構成一含有金屬鋰的供電單元。

為達上述之目的，本發明係提供一種金屬鋰極板，所述之金屬鋰極板係包含一金屬鋰層、複數閘層及一集電層，集電層係具有複數孔洞，各孔洞具有至少一開口，此些閘層係對應設置於此些孔洞，金屬鋰層係與此些閘層對應設置。本發明所揭露之金屬鋰極板中的閘層係可在介質作用下與離子鋰及/或金屬鋰層發生合金化反應，故可讓閘層的原結構逐漸轉變為微粒化鋰合金物質的型態並且使之整體體積膨脹(因為堆積不緊密產生大量 孔隙)，並提供離子鋰與金屬鋰層進行電化學反應的路徑。另外，本發明所揭露之金屬鋰極板更可與一般的正極極板直接組裝，以構成具有高能量密度的供電單元。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10A‧‧‧金屬鋰極板/第二極板單元

10B‧‧‧金屬鋰極板

10C‧‧‧金屬鋰極板

12‧‧‧金屬鋰層

14‧‧‧集電層/第二集電層

142‧‧‧閘層

16‧‧‧離子導通層

162‧‧‧空乏區

20‧‧‧第一極板單元

22‧‧‧活性材料層

24‧‧‧第一集電層

26‧‧‧隔離層

30‧‧‧封裝單元

A‧‧‧絕緣區域

BC‧‧‧電池芯

H‧‧‧孔洞

O‧‧‧開口

第1A圖為本發明揭露之金屬鋰極板的一種實施態樣之結構示意圖。

第1B圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第1C圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第1D圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第2A圖為第1A圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第2B圖為第1B圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第2C圖為第1C圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第2D圖為第1D圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第3A圖為本發明揭露之金屬鋰極板的一種實施態樣之結構示意圖。

第3B圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第3C圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第3D圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖，其係揭露一種離子導通層的態樣。

第4A圖為第3A圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第4B圖為第3B圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第4C圖為第3C圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第4D圖為第3D圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第5A圖為本發明揭露之金屬鋰極板的一種實施態樣之結構示意圖。

第5B圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第5C圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖。

第5D圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖，其係揭露一種離子導通層的態樣。

第6A圖為第5A圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第6B圖為第5B圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第6C圖為第5C圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第6D圖為第5D圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第7A圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖，其係揭露一種離子導通層的態樣。

第7B圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖，其係揭露另一種離子導通層的態樣。

第7C圖為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖，其係揭露又一種離子導通層的態樣。

第8A圖為第7A圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第8B圖為第7B圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第8C圖為第7C圖中閘層經過合金化反應後之結構示意圖。

第9A圖為本發明揭露之電池芯的一種實施態樣之結構示意圖。

第9B圖為本發明揭露之金屬鋰極板的一種封裝態樣之結構示意圖。

本發明之精神所在係提供一種金屬鋰極板，其係可將含有金屬鋰的極板直接在正常環境下進行儲存與操作，更能與一般的正極極板構成能量密度更高且同時兼顧安全性的供電單 元。此金屬鋰極板係包含一金屬鋰層、複數閘層及一集電層，集電層係具有複數孔洞，各孔洞具有至少一開口，此些閘層係對應設置於此些孔洞，金屬鋰層係與此些閘層對應設置，其中，金屬鋰層與閘層係可相鄰設置，或是彼此遠離設置，且在相鄰設置的態樣中，金屬鋰層與閘層更可接觸或不接觸。而藉由介質的加入係可使閘層進行合金化反應，進而啟動金屬鋰層的氧化還原反應。另，更可輕易地與一般極板彼此組裝以構成具有高能量密度的供電單元。

接續，係依據上述本發明之精神，更詳細說明如下，雖然下列提出不同的實施態樣進行說明，但該些態樣係為主要實施例，並不因此侷限本發明之申請專利範圍。

首先，請同時參照第1A圖與第2A圖所示，其中第1A圖係為本發明揭露之金屬鋰極板的一種實施態樣之結構示意圖，第2A圖則係為第1A圖中閘層經過合金化反應後的態樣。

如圖所示，其係顯示本發明之金屬鋰極板10A的局部截面，最底部係為金屬鋰層12，上方則為具有複數孔洞H的集電層14，在較遠離於金屬鋰層12的一端部，閘層142係覆蓋孔洞H的開口O且並未完全覆蓋集電層14的表面，且在本實施態樣中的閘層142與金屬鋰層12之間並未有實質的接觸。

是以，就以結構而言，當上述的金屬鋰極板10A應用在一供電單元(圖未顯示)中時，金屬鋰極板10A係扮演負極極板的角色，而在供電單元內部的電化學系統尚未進行電化學反應之前，閘層142係不會與離子鋰及/或金屬鋰發生作用，故閘層142的結構仍相當穩定且完整，因此，在集電層14及/或閘層142的設置下，係可使得金屬鋰層12獲得良好的保護而不會直接與介質接觸，在製程過程中，金屬鋰層12亦可在較高溫、高壓的條件下進行操作。然而，當供電單元內的電化學反應開始進行後，即供電單元的正、負極之間存在有電壓差的情況下，以進行充電的狀態為例，介質所提供的離子鋰與游離自正極極板的離子鋰開始由正極極板往金屬鋰極板10A遷移，在到達金屬鋰極板10A後係先與閘 層142中可與離子鋰及/或金屬鋰反應的材料開始進行合金化反應，故使得閘層142原始的晶格結構逐漸地崩解為晶格鬆散的合金物質，一旦當閘層142與離子鋰所形成的合金物質到達一定量的時候，合金物質會隨著介質(電解液)而自開口O填入至孔洞H內，最終藉由合金物質中的孔隙以將介質導流至孔洞H內以形成離子鋰的離子通道，並與金屬鋰層12產生接觸，進而使得金屬鋰極板10A中的集電層14、閘層142的電位均接近於金屬鋰層12的電位，其結構係如第2A圖所示。其中，所述的介質可例如為液態電解質、固態電解質、膠態電解質、液態離子(liquid ion)或上述材料之組合。

更詳細來說，在供電單元的正、負兩極之間尚未有電壓差時，供電單元內的化學反應並未受到電能的驅動而進行，因此閘層142不與介質(含有離子鋰)發生反應，而當供電單元開始進行充電時，以第一次充電為例，即供電單元進行化成(formation)時，由於此時的閘層142並未與金屬鋰層12接觸，故閘層142中可與離子鋰及/或金屬鋰反應的成分僅會與介質所提供的離子鋰進行合金化反應，也就是在閘層142與介質接觸的界面處開始形成合金物質，且隨著反應時間的增長，幾乎所有閘層142中可與離子鋰及/或金屬鋰反應的成分均與離子鋰反應，此時閘層142近乎完全崩解並形成合金物質，隨著合金物質的量增多並逐漸填入至集電層14的孔洞H內，俾使介質得以通過合金物質而到達金屬鋰層12的表面並與其進行離子與電子的交換作用，換言之，在供電單元完成化成或多次的充電後，最初用以隔離金屬鋰層12與介質的閘層142因合金化反應而崩解後，而使得介質可利用崩解的閘層142(也就是合金物質)以填入至孔洞H內而與金屬鋰層12接觸，俾使金屬鋰層12可參與供電單元內的電化學反應。由此可知，閘層142在電化學反應發生後會因為合金化反應，而由原始的結構崩解成微粒狀的合金物質結構，且無法恢復為原始的結構，因此，就功能性而言，閘層142在供電單元完全未進行電化學反應之前係主要利用其金屬結構或類金屬結構的特性以扮演密封結構，使金 屬鋰層12得以完全被密封而不與任何物質發生作用，不過，一旦經過電化學反應之後，閘層142係逐漸崩解為合金物質，換言之，閘層142的金屬結構最終將會消失，並以合金狀態繼續存在於供電單元內。

另外，所述之金屬鋰層12的另一主要作用係在於使閘層142的電位可近似於金屬鋰層12的電位，即維持在接近於相對0伏特的狀態，也就是可使閘層142維持在可形成金屬鋰的0伏特，如此方可使介質中的離子鋰與閘層142進行合金化反應時所生成的合金物質結構更為細緻且均勻。

另，除上述的實施態樣外，閘層142除覆蓋在開口O上之外，更同時填入到孔洞H內，如第1B圖所示，且第1B圖中的閘層142在經過合金化反應後的結構示意圖則係如第2B圖所示；或是閘層142完全填入於孔洞H內，如第1C圖所示，且第1C圖中的閘層142在經過合金化反應後的結構示意圖則係如第2C圖所示。其中，無論該些態樣雖以閘層142未接觸與金屬鋰層12為例說明，不過實際上，閘層142亦可為接觸金屬鋰層12的結構態樣。再，集電層14的孔洞H於此雖以貫通孔的形式表示，不過所述之孔洞H也可以是盲孔，如第1D圖所示，且第1D圖中的閘層142在經過合金化反應後的結構示意圖則係如第2D圖所示。又，在此些實施態樣中的金屬鋰層12係完全覆蓋集電層14的一表面，不過當然也可以不完全覆蓋集電層14的表面，舉例來說，當集電層14的開口O為貫通孔的開口時，金屬鋰層12可與閘層142對應地覆蓋、覆蓋並填入或僅填入至開口O的另一端，亦即，金屬鋰層12係可局部或完全覆蓋集電層14。

為避免鋰離子在進入至集電層14之前便先沈積在其外表面上，也為了避免集電層14裸露的外表面在接近過充、放電的狀態下發生電鍍反應，而產生鋰突觸，如第1D圖與第2D圖所示，集電層14未相鄰於金屬鋰層12的一側的外表面上係有數個絕緣區域A，此絕緣區域A不具導電性，其結構型態係可如本態樣所示之電性絕緣層，或為經過表面處理的電性絕緣表面，例如直接 將集電層14裸露之外表面進行表面處理，以使其導電性質鈍化。

另，所述之集電層之材料係可選自銅、鎳、鐵、鋅、金、銀、鈦或不與鋰發生合金化反應之材料。閘層142係可包含一種或多種材料，其係包含金屬材料及/或類金屬材料，且在閘層142的多種材料中，除了可形成鋰合金之材料外，亦可包含有不可形成鋰合金之材料，而此兩種材料均可以非合金態或合金態的形式存在，舉例來說，非合金態的材料係可藉由圖形化的濺鍍、蒸度或電鍍來形成，但在閘層142的組成中，可形成鋰合金之材料之含量係不小於0.1%，其餘成分均可為不與鋰發生合金化反應之材料，其中，上述的可形成鋰合金之材料可以是鋁、錫、矽、鋁合金、錫合金、矽合金、其他單一金屬或合金材料或其他多種金屬或合金材料，而不可形成鋰合金之材料也可以是單一或多種材料的組合，例如銅、鎳、鐵、鈦、鋅、銀、金或上述之組合。

舉例來說，當此閘層142是雙合金時，可以是由一個可與鋰離子/鋰金屬形成合金之錫金屬，以及一不與鋰發生合金化反應之鎳金屬所構成之鎳-錫合金，其中錫含量不小於0.1%。

根據第1A圖至第1D圖及第2A圖至第2D圖所示之態樣可知，此些態樣均為揭露金屬鋰層與閘層彼此遠離設置的結構。以下第3A圖至第3D圖、第4A圖至第4D圖、第5A圖至第5D圖及第6A圖至第6D圖則係揭露金屬鋰層與閘層相鄰設置的態樣。

請參照第3A圖至第3D圖所示，其係說明金屬鋰層與閘層相鄰設置的態樣，此金屬鋰極板10B係包含一金屬鋰層12、複數閘層142及集電層14，集電層14具有複數孔洞H，如第3A圖所示，在相鄰於金屬鋰層12的一端部，在孔洞H的開口O係覆蓋閘層142，而在第3B圖中係揭露閘層142除覆蓋在開口O上之外，更同時填入到孔洞H內，不過於此所述之開口O係相鄰於金屬鋰層12，再根據第3C圖所示，閘層142係填入至孔洞H內但未覆蓋集電層14的表面，且閘層142係相鄰於金屬鋰層12。第3A圖至第3C圖中的金屬鋰層12係可局部或完全覆蓋集電層14。另，離子導通層16亦可應用在此態樣中，第3D圖係為其中一種包含有離子導通層16的結構 示意圖。而與第3A圖至第3D圖對應的第4A圖至第4D圖則分別係為閘層142在經過合金化反應後形成合金物質的態樣。其中，有關金屬鋰層12、集電層14、閘層142與離子導通層16與絕緣區域(圖未顯示)的結構特徵與材料特性業已詳述於上段落中，於此將不再贅述。

以上態樣係根據閘層位於集電層的孔洞及其開口的各種結構對應關係及金屬鋰層與閘層彼此不同的對應位置關係，業已揭露在不同的金屬鋰層與閘層的位置關係中，具有各種不同位置型態的閘層態樣，而在以下的第5A圖至第5C圖中則是以閘層為完全填入至孔洞且與鄰設於金屬鋰層的態樣為例，以說明金屬鋰層與集電層的孔洞及其開口的結構對應關係，當然此些態樣亦適合與其他態樣的閘層搭配，也適合與其他不同設置關係的金屬鋰層及閘層搭配，也適合與離子導通層、絕緣區域合併實施。

首先在第5A圖中係揭露金屬鋰極板10C，其係包含一金屬鋰層12、複數閘層142及集電層14，集電層14具有複數孔洞H，在孔洞H內係填入有閘層142，金屬鋰層12係覆蓋於孔洞H的開口O上，並與閘層142相鄰設置；第5B圖中的金屬鋰層12除了覆蓋在開口O上之外，更同時填入到孔洞H內，並與填入於孔洞H內的閘層142相鄰；再根據第5C圖所示，金屬鋰層12係填入至孔洞H內且與孔洞H內的閘層142相鄰；其中，上述態樣均以金屬鋰層12及閘層142未接觸的態樣說明，但金屬鋰層12及閘層142在相鄰的態樣中，更可為彼此接觸的。此外，第5D圖係為其中一種包含有離子導通層16的結構示意圖。而第6A圖至第6D圖則係對應地揭露出第5A圖至第5D圖中閘層142在經過合金化反應後的結構示意圖。

接續係針對離子導通層提出更詳細的解釋。請參照第7A圖與第8A圖所示，其中第7A圖係為本發明揭露之金屬鋰極板的另一種實施態樣之結構示意圖，第8A圖則係為第7A圖中閘層經過合金化反應後的態樣。

在本態樣中的金屬鋰極板10A係除了包含一金屬鋰層12、集電層14及閘層142外，更包含有離子導通層16。離子導通 層16係設置在金屬鋰層12與集電層14、閘層142之間，在實際的應用上，離子導通層16可與金屬鋰層12、集電層14與閘層142同時接觸，亦或僅實質接觸於金屬鋰層12與集電層14，且就離子導通層的結構型態而言，係可為多孔層狀結構、網狀結構、柱狀結構或上述結構之組合。在第7A圖中所揭露的態樣則係以與金屬鋰層12及集電層14有實質接觸為例來說明，本態樣的金屬鋰極板10A的結構由下至上係包含金屬鋰層12、離子導通層16、位於開口O端部的閘層142以及具有開口O的集電層14。而其中金屬鋰層12、集電層14及閘層142的特性業已說明於上述段落，於此係詳細說明離子導通層16的特徵。

首先，由於離子導通層16的最大功能是協助集電層、閘層與金屬鋰層間進行離子導通，但是其存在也必須不能降低集電層14與金屬鋰層12之間的導電性，因此設置在金屬鋰層12與集電層14、閘層142之間的離子導通層16最佳的態樣係同時兼具有離子導通與電子導通的特性，其中離子導通特性，為離子導通層16本身材料、孔隙與電解質材料(其中電解質材料可為液態電解質、膠態電解質、固態電解質或液態離子等)或其上成分組合所形成，但是離子導通層16的電子導電能力並不需要一定是由離子導通層16自行完成，而也可以藉由閘層142在合金化後藉由閘層142體積增加，進而利用體積較膨脹的合金化物質以做為導電的材料，並在合金化物質通過離子導通層16的孔隙而使集電層14與金屬鋰層12進行電子導通，而在化學特性上，由於離子導通層16係直接與金屬鋰層12接觸，故離子導通層16在任何狀態下均不與金屬鋰層12發生合金化反應，且在第7A圖中所示之離子導通層16與開口O另一端部的閘層142之間存在一空乏區162，此空乏區162在供電單元尚未進行電化學反應前係為一個無填入物質之間隙，或更可以僅含有電解質材料之間隙(其中電解質材料可為液態電解質、膠態電解質、固態電解質或液態離子等)，然，承上所述可知，當供電單元內的電化學反應開始進行後，由閘層142與離子鋰所形成的合金物質將會逐漸填入至開口O內的空乏區162中，並進一步 填入至離子導通層16內，也就是在電化學反應後，空乏區162與離子導通層16在填入合金物質後係可藉由合金物質與電解質，俾使金屬鋰層12、集電層14、閘層142之間可彼此離子導通與電子導通，其結構係如第8A圖所示。據此可知，離子導通層16的電子導通性除了可藉由其本身材料特性以實現之外，更可利用閘層142在合金化後的合金物質填入至離子導通層16以實現離子導通層16的電子導通性。其中此態樣的離子導通層16通常除了陶瓷絕緣材料、高分子材料、液態電解質、膠態電解質、固態電解質或液態離子之外，更可以包含有導電材料或上述材料與離子導通層16本身的孔隙之各式組合，其中導電材料：例如為金屬材料、合金材料、導電碳材料(例如：碳黑、硬碳、納米碳管、石墨、石墨烯…等)，其中上述多種材料與離子導通層16本身的孔隙之組合，也更可以包括在原導電材料上方再進行電鍍、蒸鍍或濺鍍一層薄膜金屬或合金之模式，其中所述的陶瓷絕緣材料可包含有氧化金屬、硫化金屬、氮化金屬或酸化反應後的金屬材料(例如：磷酸化金屬)等。由於一般離子導通層16內具有相當多的孔隙，係可提供做為離子導通的通道，同時此些通道也可以使擴張體積的合金化閘層142通過此離子導通層16的孔隙進而連接集電層14與金屬鋰層12，故進而達到電子導通的效果。

除了上述的態樣外，更可如第7B圖所示，此金屬鋰極板10A中的局部離子導通層16係填入至集電層14的開口O的另一端部中，與閘層142位在相對應的位置並同時與金屬鋰層12及閘層142均有實質上的接觸。而當供電單元內的電化學反應開始進行後，由閘層142與離子鋰所形成的合金物質將會逐漸填入離子導通層16中，俾使閘層142所形成的合金物質與金屬鋰層12接觸並提供電性導通的功能，如圖8B所示。

在第7C圖中係揭露一種實施態樣，金屬鋰極板10A中的離子導通層16在結構上係呈現柱狀，其中，此型態離子導通層16更可以不完全覆蓋集電層14與金屬鋰層12，甚至更可以刻意避開集電層14的開口O(開口區)，亦即僅形成在非開口區的集電 層14與金屬鋰層12間，此態樣的離子導通層16材料比較一般態樣上特別，通常僅為導電材料：例如金屬材料、合金材料或各式導電碳材，或是導電材料、高分子材料與離子導通層16本身的孔隙之組合，其中也更可以包括在原導體材料上方再進行電鍍、蒸鍍或濺鍍一層薄膜金屬或合金之模式以加強導電能力，由於柱狀的離子導通層16內具有相當多的孔隙，係可提供做為離子導通的通道，且在離子導通層16的兩端則係直接與金屬鋰層12和集電層14接觸，故可達到電子導通的效果。當然，一旦供電單元內的電化學反應開始進行後，由閘層142與離子鋰所形成的合金物質更將會逐漸填入柱狀的離子導通層16的孔隙中，俾使閘層142所形成的合金物質與金屬鋰層12接觸，如圖8C所示。

其中，離子導通層16中的電子導通能力係可由離子導通層16中的本身的導電材料，例如金屬材料、合金材料、導電碳材料(例如：碳黑、硬碳、納米碳管、石墨、石墨烯…等)等材料以提供，或可由閘層142在合金化反應後所形成的合金物質以提供，或更可由生成在集電層14與金屬鋰層12之間的鋰突觸以提供，亦或可由上述所有的結構來提供。而離子導通層16為鋰突觸的態樣的形成原因在於，在浸潤於電解質的環境下，當金屬鋰極板10A的電位接近於0伏特時，集電層14的電位相當接近於金屬鋰層12的電位，因此鋰離子容易在此一介面上發生沈積反應，換言之，集電層14與離子導通層16相鄰的表面在電化學反應的過程中容易發生鋰金屬析出而形成鋰突觸，由於離子導通層16具有相當多的孔隙，故當鋰突觸自集電層14朝向金屬鋰層12生長，當鋰突觸經過離子導通層16之孔隙接觸到金屬鋰層12後，即在集電層14與金屬鋰層12之間係形成具有使集電層14與鋰金屬層12做電子導通之鋰樹枝狀結晶(鋰突觸)結構成分的離子導通層16結構(其結構型態類同7C結構)，與習知的供電單元相較，在一般的供電單元內若發生鋰金屬析出而產生鋰突觸(樹枝狀結晶)，將會導致隔離層被刺穿而產生內部短路的問題，故有害於供電單元的效能，不過，由於本發明所揭露的鋰突觸係產生於集電層14在與金屬鋰 層12相鄰的表面上，因此生成的鋰突觸不但不會破壞電池內部結構，故不會造成內部短路的問題，更可因為鋰突觸的形成以增加集電層14與金屬鋰層12的電性連接表面積，進而降低電池內部的阻值。

請參照第9A圖所示，其係為本發明揭露之電池芯的一種實施態樣之結構示意圖，其中係以上述第7A圖所揭露之金屬鋰極板(10A)為例說明。

在本實施態樣中的電池芯BC係包含二第一極板單元20以及一第二極板單元10A，其中每個第一極板單元20係各自包含一活性材料層22、一第一集電層24及一隔離層26，第一集電層24係設置在活性材料層22之一側，隔離層26則係設置在活性材料層22的另一側，換言之，活性材料層22係夾設在第一集電層24與隔離層26之間；第二極板單元10A則係夾設在二第一極板單元20之間，且第二極板單元10A係包含具有孔洞H的第二集電層14、位於孔洞H的開口O端部的閘層142、離子導通層16、金屬鋰層12、離子導通層16、具有孔洞H的第二集電層14以及位於孔洞H的開口O端部的閘層142，換言之，第二極板單元10A上下兩側的第二集電層14係與第一極板單元20的隔離層26彼此相鄰設置。

另，第9B圖為本發明揭露之金屬鋰極板的一種封裝態樣之結構示意圖，為使上述的第二極板單元10A可單獨存在於一般的環境中，更可在第二極板單元10A的周緣設置封裝單元30，可以本實施態樣為例，封裝單元30係可由阻水、阻氣的材質所構成，且其型態可為框狀或其他形狀，舉例來說，封裝單元30係可為單層的矽膠封框，或是多層的矽膠封框，於此雖以三層的矽膠封框為例說明，但僅為一種舉例並非限制本發明之範圍。不過，封裝單元30並非第二極板單元10A的必要結構，舉例來說，當第二極板單元10A不具有單獨的封裝單元時，其係可在與第一極板單元20組裝後再一併封裝。

更詳細來說，當第一極板單元20的隔離層26含吸有介質後(例如：電解液，但圖未顯示)，藉由適當的製程方法(例 如：熱壓合)以將第一極板單元20與第二極板單元10A彼此黏著，如此即完成電池芯BC的組裝，因此，當電池芯BC開始進行充電時，介質會自第一極板單元20向第二極板單元10A流動，同時將大量的離子鋰帶往第二極板單元10A，首先由第二極板單元10A的第二集電層14的開口O進入並以與閘層142接觸，使閘層142進行合金化反應，因此介質中大量的離子鋰會快速地與閘層142進行合金化反應並形成含鋰的合金物，俾使第二極板單元10A中的第二集電層14、閘層142及離子導通層16的電位均接近於金屬鋰層12的電位，亦即整體的第二極板單元10A的電位係接近於相對0伏特的狀態。

再者，當介質中的離子鋰在反覆多次的充、放電過程後，也就是由於多次的合金化與去合金化反應後，勢必出現些許不可避免的耗損，例如有部分無法完全還原的閘層-鋰合金游離在介質中、或部分形成鋰突觸而消耗掉的離子鋰，此時仍可藉由填充在孔洞H內的合金物質以做為金屬鋰層12橋樑並將金屬鋰層12的離子鋰導回電池芯內部的化學系統中，俾以提供足量的離子鋰至電池芯BC中，可有效地延長整體電池芯的壽命。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10A‧‧‧金屬鋰極板

12‧‧‧金屬鋰層

14‧‧‧集電層

142‧‧‧閘層

16‧‧‧離子導通層

162‧‧‧空乏區

H‧‧‧孔洞

O‧‧‧開口

Claims (24)

1. 一種金屬鋰極板，其係包含：一金屬鋰層；複數閘層；以及一集電層，其係具有複數孔洞，各該孔洞係具有至少一開口，該些閘層係對應設置於該些孔洞，該金屬鋰層係與該些閘層對應設置。
2. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該閘層更覆蓋該開口。
3. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該閘層更覆蓋該開口且填入該孔洞。
4. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該閘層更填入該孔洞。
5. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該閘層係不可完全覆蓋該集電層。
6. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該孔洞係為貫通孔及/或盲孔。
7. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該金屬鋰層更覆蓋該開口。
8. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該金屬鋰層更覆蓋該開口且填入該孔洞。
9. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該金屬鋰層更填入該孔洞。
10. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該金屬鋰層更完全覆蓋該集電層。
11. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該金屬鋰層與該些閘層係相鄰設置，且該閘層與該金屬鋰層係更可接觸或未接觸。
12. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該金屬鋰層與該些閘層係彼此遠離設置。
13. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其更包含：一離子導通層，其係鄰設於該金屬鋰層，且該離子導通層係不與該金屬鋰層發生合金化反應。
14. 如請求項13所述之金屬鋰極板，其中該離子導通層係接觸至少局部的該集電層及/或局部的該金屬鋰層及/或局部的該閘層。
15. 如請求項13所述之金屬鋰極板，其中該離子導通層更具有電子導通性。
16. 如請求項13所述之金屬鋰極板，其中該離子導通層的結構型態係可為多孔層狀結構、網狀結構、柱狀結構或上述結構之組合。
17. 如請求項13所述之金屬鋰極板，其中該離子導通層更可包含陶瓷絕緣材料、高分子材料、液態電解質、膠態電解質、固態電解質、液態離子、導電材料或上述材料之組合。
18. 如請求項17所述之金屬鋰極板，其中陶瓷絕緣材料係包含氧化金屬、硫化金屬、氮化金屬、磷酸化金屬或酸化金屬。
19. 如請求項17所述之金屬鋰極板，其中導電材料係包含金屬材料、合金材料、導電碳材料或上述之組合，且導電碳材料係包含碳黑、硬碳、納米碳管、石墨、石墨烯或其他導電碳。
20. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該集電層之材料係選自銅、鎳、鐵、鋅、金或不與鋰發生合金化反應之材料。
21. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其中該閘層係包含至少一可形成鋰合金之材料，其係包含金屬材料及/或類金屬材料，且該可形成鋰合金之材料係與一介質所提供之離子鋰發生合金化反應，且該可形成鋰合金之材料係選自於鋁、錫、矽、鋰合金、錫合金、矽合金或上述材料之組合。
22. 如請求項21所述之金屬鋰極板，其中該介質係選自於液態電解質、固態電解質、膠態電解質、液態離子或上述材料之組合。
23. 如請求項21所述之金屬鋰極板，其中該閘層中的該可形成鋰合金之材料為非合金態或合金態，且該可形成鋰合金之材料的含量係不小於0.1%。
24. 如請求項1所述之金屬鋰極板，其更包含：至少一絕緣區域，其係位於該集電層不與該金屬鋰層相鄰的一側的外表面，且該絕緣區域係為電性絕緣層，或為經過表面處理的電性絕緣表面。