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CN103718337B - 用于电极的电镀技术 - Google Patents

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CN103718337B CN201280035665.5A CN201280035665A CN103718337B CN 103718337 B CN103718337 B CN 103718337B CN 201280035665 A CN201280035665 A CN 201280035665A CN 103718337 B CN103718337 B CN 103718337B
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Abstract

提供了用于形成在电化学电池中使用的受保护的电极、包括在再充电式锂蓄电池中使用的受保护的电极的制品和方法。在一些实施方案中，所述制品和方法涉及不包括电活性层但是包括集流器和定位成与所述集流器直接相邻或者经由一个或更多个薄层与所述集流器隔开的保护结构。锂离子可以传输穿过所述保护结构以在所述集流器与所述保护结构之间形成电活性层。在一些实施方案中，可以向电极施加各向异性力以有利于形成所述电极活性层。

Description

用于电极的电镀技术
技术领域
本发明涉及用于形成在电化学电池中使用的受保护的电极、包括在再充电式锂蓄电池中使用的受保护的电极的制品和方法。
背景技术
近几年在研究具有含锂阳极的高能量密度的蓄电池方面已经引起相当大的关注。作为电化学电池的阳极，锂金属特别引人注目，这是因为与其他阳极(例如，嵌锂碳阳极，其中非电活性材料的存在增加了阳极的重量和体积，由此降低了电池的能量密度)相比，锂金属具有极轻重量和高能量密度。此外，锂金属阳极或主要包括锂金属的阳极提供了构建比电池例如锂离子电池、镍金属氢化物电池或镍镉电池的重量更轻且能量密度更高的电池的机会。这些特征对于其中对于轻重量要支付额外费用的便携式电子设备(例如便携式电话和膝上型电脑)的电池是高度期望的。遗憾地是，锂的反应性和相关的循环寿命、树枝状晶体形成、电解质相容性以及制造和安全问题阻碍了锂电池的商业化。尽管提出了用于形成锂阳极和形成界面和/或保护层的多种方法，但是仍需要加以改进。
发明内容
提供了用于形成在电化学电池中的受保护的电极、包括在再充电式锂蓄电池中使用的受保护的电极的制品和方法。
在一些实施方案中，提供了一系列制品。在一个实施方案中，在电化学电池中使用的制品包括集流器和保护结构。保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构，其中保护结构的层中的每个层为非电活性的并且对于碱金属离子是传导性的。保护结构与集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与集流器隔开。
在另一个实施方案中，制品包括集流器和与集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与集流器隔开的保护结构。保护 结构为非电活性的并且对于碱金属离子是传导性的。该制品还包括阴极和位于保护结构与阴极之间的电解质。向制品施加具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性力，该分量限定了至少50牛顿／cm2的压力。
在另一个实施方案中，在电化学电池中使用的制品包括集流器和保护结构。保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构，其中保护结构的层中的每个层为非电活性的并且对于碱金属离子是传导的。适合于嵌入碱金属离子的非电活性中间层位于集流器与保护结构之间。任选地，制品还可以包括阴极和位于保护结构与阴极之间的电解质。任选地，向制品施加具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性力，该分量限定了至少50牛顿／cm2的压力。
在另一组实施方案中，提供了一系列方法。在一个实施方案中，形成电极的方法包括提供包括集流器和保护结构的制品，其中保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构。保护结构与集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与集流器隔开。该方法还包括提供碱金属离子的源，使碱金属离子从源传输穿过保护结构，以及在集流器与保护结构之间形成包含碱金属的电活性层。
在另一个实施方案中，形成电极的方法包括提供包括集流器和保护结构的制品，其中保护结构与集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与集流器隔开。该方法涉及提供碱金属离子的源，使碱金属离子从源传输穿过保护结构，以及在集流器与保护结构之间形成包含碱金属的电活性层。向制品施加具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性力，该分量限定了至少50牛顿／cm2的压力。
在另一个实施方案中，形成电极的方法包括提供包括集流器和保护结构的制品，其中保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构。该制品还包括位于集流器与保护结构之间的非电活性中间层。该方法包括提供碱金属离子的源，使碱金属离子从源传输穿过保护结构，以及在集流器与保护结构之间形成包含碱金属的电活性层，其中所述电活性层包括中间层的至少一部分。
以上和本文中所述的制品和方法可以以各种不同方式构造、布置和／或实施。例如，在一些实施方案中，制品不包含碱金属。在一些情况下，制品尚未被放电和/或充电(即，循环)。例如，在一些情况下，制品尚未被循环至大于2次、大于4次、大于6次或大于10次。在一些情况中，制品不包含为已经被循环的电极和／或化学电池所特有的化合物的副产 物，和/或制品不包含为已经被循环至大于2次、大于4次、大于6次或大于10次的电极和/或化学电池所特有的化合物的副产物。
以上和本文中所述的制品和方法可以包括为包括至少两层不同材料组成的多层结构的保护结构。保护结构可以与集流器直接相邻。制品还包括基本上垂直于并接触保护结构的层中的每个层的侧集流器或竖直集流器。在其他实施方案中，保护结构经由总厚度小于2微米、小于1微米、小于500nm、小于200nm、小于100nm、小于50nm、或小于25nm、或小于10nm的一个或更多个中间层与集流器隔开。一个或更多个中间层中的至少一个中间层的RMS表面粗糙度可以小于1微米、小于0.5微米、小于0.2微米、小于0.1微米或小于1nm。在一些实施方案中，在集流器与保护结构之间的一个或更多个中间层可以包括传导材料，例如可以用作用于形成电活性层的籽层(seed layer)的锂金属或包含嵌入锂化合物的材料。也可以使用包含碱金属的其他材料作为籽层。
在一些情况下，以上和本文中所述的制品和方法还可以包括阴极，在集流器与保护结构之间的一个或更多个中间层(任选地包括含锂材料例如锂金属或嵌入锂化合物)以不足以参与制品的完全放电的量存在。在一些实施方案中，在集流器与保护结构之间不存在这样的中间层。制品可以任选地还包括定位成在与集流器相反的一侧上与保护结构相邻的碱金属层。该制品可以任选地还包括定位成在与集流器相反的一侧上与保护结构相邻的聚合物凝胶层。在包括阴极的实施方案中，阴极可以包括碱金属离子的源，例如锂离子的源。在一些实施方案中，阴极包括含锂过渡金属氧化物作为活性电极物质、含锂金属氧化物作为活性电极物质、含锂磷酸盐作为活性电极物质、嵌入锂化合物作为活性电极物质、或者硫作为活性电极物质。在又其它实施方案中，阴极包括氧或水。
在一些情况下，以上和本文中所述的制品和方法涉及如下制品，所述制品被构造并布置为用于向制品施加具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性力。各向异性力可以包括限定至少50牛顿／cm2、至少60牛顿／cm2、至少70牛顿／cm2、至少80牛顿／cm2、至少100牛顿／cm2、至少150牛顿／cm2或至少200牛顿／cm2的压力的分量。在一些情况下，各向异性力包括限定具有锂金属的屈服强度的至少0.5倍至至少2倍的数量的压力的分量。
在一些情况下，以上和本文中所述的制品和方法包括与制品离子连通的碱金属离子的源。在一些实施方案中，碱金属离子的源包括电解质浴或 阴极。制品可以还包括电解质。
以上和本文中所述的制品和方法可以包括包含至少两个单离子传导层和至少两个聚合物层的保护结构，其中所述单离子传导层和聚合物层相对于彼此交替。单离子传导层可以为非电子传导的或者为电子传导的。在一些情况下，单离子传导层包括对于锂离子是传导性的陶瓷，例如氮化锂。在一些情况中，单离子传导层包括位于氮化锂层之上的氧化锂层(或者反过来也一样)。单离子传导层可以包括孔，孔的至少一部分填充有聚合物。填充单离子传导层的孔的至少一部分的聚合物可以为定位成与单离子传导层相邻的聚合物层的形式。在一些情况下，聚合物可以包括丙烯酸酯，例如，丙烯酸烷基酯、乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯。
在一些实施方案中，制品包括定位成在与集流器相反的一侧上与保护结构相邻的隔板。制品可以为包括阴极的电化学电池的一部分，碱金属离子的源包括阴极。在一些情况下，制品为包括阴极的电化学电池的一部分，碱金属离子的源包括与阴极不同的电极。该制品可以还包括定位成在与集流器相反的一侧上与保护结构相邻的碱金属层，碱金属离子的源包括碱金属层。在一些情况下，该制品还包括位于保护结构与碱金属离子的源之间的聚合物凝胶层，方法还包括使碱金属离子传输穿过聚合物凝胶层。传输步骤可以包括以4C至C／10的倍率给制品充电。待通过这些或其他方法形成的电极电极可以为例如锂金属阳极。在一些情况下，制品在传输步骤之前尚未被充电。
由以下本发明的多个非限制性实施方案的详细描述，在结合附图进行考虑时，本发明的其他特点和新的特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和／或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为准。如果通过引用合并的文献中的两个或更多个文献相对于彼此包括冲突和/或不一致的公开内容，则以生效日期靠后的文献为准。
附图说明
将参照附图通过举例的方式描述本发明的非限制性的实施方案，这些附图是示意性的并非旨在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同的组件或几乎相同的组件通常由单一附图标记表示。为了清楚的目的，在每个附图中没有标记每个组件，本发明的每个实施方案的在没必要说明的地方示出的每个组件也没有标记以使得本领域的普通技术人员能够理解本发 明。在附图中：
图1示出了根据一组实施方案的形成电极的方法；以及
图2示出了根据一组实施方案的形成电化学电池的方法。
具体实施方式
提供了用于形成在电化学电池中使用的受保护的电极、包括在再充电式锂蓄电池中使用的受保护的电极的制品和方法。在一些实施方案中，该制品和方法涉及电极，该电极不包括电活性层，但是包括集流器和定位成与集流器直接相邻或者经由一个或更多个薄层与集流器隔开的保护结构。锂离子可以传输穿过保护结构以在集流器与保护结构之间形成电活性层。在一些实施方案中，可以向电极施加各向异性力以有利于形成电极活性层。
有利地，本文中描述的制品和方法可以用于形成具有平滑的电活性层表面和／或平滑的保护层表面的电极。如下文中将更详细地描述的，降低这些表面的一个或更多个的粗糙度可以使得电极的腐蚀速率最小化和／或防止任何非活性腐蚀反应产物干扰电荷传输穿过电活性层表面。此外，如本文中描述的一些制品和方法涉及不包括电活性层的(可以是活性的)电极和电化学电池，可以提高这样的装置的操作的安全性。在一些实施方案中，存在电活性层，但是与完整的电化学电池相比存在相对较少量的电活性层，以降低可用于潜在不期望的反应的活性材料的量。此外，使用本文中描述的方法形成电极可以使得保护结构在电极的使用期间(例如，在向电极施加各向异性力期间)不太可能损坏。以下将详细描述其他优点。
如本文中所述，在一些实施方案中，所提供的制品和方法可以应用于锂蓄电池系统，包括锂离子蓄电池系统。锂蓄电池系统通常包括在放电期间被电化学锂化的阴极。在该过程中，锂金属或锂嵌入化合物可以转换为锂离子并且可以传输穿过电解质到蓄电池的阴极，在蓄电池的阴极处被还原。在锂／硫蓄电池中，例如，锂离子在阴极处形成多种锂硫化合物中的一种。在充电时，该过程是相反的，在阳极处由电解质中的锂离子电镀锂金属。在每个放电循环中，显著量(例如，最高至100％)的可利用的Li的可以电化学溶解在电解质中，几乎该量可以在充电期间在阳极处被再电镀。与在每个放电期间移除的量相比，通常在每个充电期间稍微少量的锂在阳极处被再电镀；在每个充电放电循环期间，通常小部分的金属 Li阳极损失于不溶性的电化学非活性物质。在锂离子蓄电池中，可利用的锂离子在充电和/或放电时也可能由于多种过程而损失。
这些充电和放电的过程以多种方式使得阳极有应力，其可以导致Li的过早耗尽和蓄电池循环寿命的降低。在该循环期间，Li阳极表面可以变得粗糙(可以增加场驱动腐蚀的速率)，Li表面粗糙化可以根据电流密度按比例增加。在循环期间，与阳极的全部Li损失关联的许多非活性反应产物还可以在日益粗糙的Li表面上累积，其可以干扰电荷传输到下面的金属Li或电活性层。在蓄电池的其他部分中不存在其他劣化过程时，仅仅每个循环的Li阳极损失就可以最终使得电池变得非活性。因此，期望的是，最小化或抑制Li损失反应，使Li表面粗糙度/腐蚀速率最小化，防止任何非活性腐蚀反应产物干扰电荷传输穿过Li阳极表面。特别地，在较高电流密度下(在商业上期望的)这些过程可以导致电池的较快失效。
如本文所描述的，电极或电化学电池可以包括可以用于防止或抑制电活性层和与电极一起使用的其他组分反应的保护结构。这样的反应组分的示例包括电解质(例如，溶剂和盐)以及阴极放电产物。在一些实施方案中，保护结构在保护电活性层方面的有效性可以至少部分取决于保护结构的层的平滑度和／或在结构中存在的任意缺陷。反过来，保护结构的平滑度可以至少部分取决于在其上沉积有保护结构的底层的平滑度。正因如此，本文中描述的方法可以涉及选择或形成平滑的底表面(即，具有低均方根(RMS)表面粗糙度的表面)，然后在这样的表面上形成保护结构。
在平滑底表面之上形成保护结构之后，得到的制品可以暴露于电活性材料前体(例如碱金属离子)。在施加合适的电流和/或电压时，电活性材料前体可以在整个(across)保护结构上被电镀以使其留在集流器与保护结构之间。使用这种方法，也可以形成具有平滑表面的电活性层。该方法与可以涉及首先在集流器之上沉积电活性层然后在电活性层之上形成保护结构的一些现有的方法形成对照。
在一些现有方法中，电活性层的形成可以由于形成这样的层所需的条件(例如，温度、压力和形成速率)而导致相对较粗糙的表面。粗糙电活性层是不期望的，因为其可以增加可用于与存在于电解质中的组分反应的表面积，由此增加反应的速率。此外，由于在电活性层之上的形成的层的平滑度可以取决于底层的平滑度，所以在粗糙电活性层之上随后形成保护结构可以导致具有粗糙表面的保护结构。在一些情况下，保护结构的粗糙表面可以导致在电化学电池的使用期间，使得电解质或电解质的组分能够 穿过其的缺陷，可能导致电解质和／或电解质的组分与电活性层反应。保护结构中也可能形成缺陷，因为该结构的层的沉积可以涉及一些条件(例如，温度、压力和形成速率)，其有利于电活性层(例如，用于不导致电活性层的熔化或变形的低温)，但是不太有利于形成无缺陷结构。在一些实施方案中，如本文中所述，通过在电活性层之前首先形成保护结构来使这样的缺陷最小化。
在一些实施方案中，如在下文中更详细地描述的，可以通过使用具有多个层(例如，单离子传导层和聚合物层的多个层)的保护结构来使得在电极的使用期间形成的电极的保护结构中的缺陷最小化或减轻。
如本文中所述，在一些实施方案中，制品例如电极或电化学电池包括可以用于将电活性材料和与电极或电化学电池一起使用的电解质隔开的保护结构。为了包括(例如，对于锂蓄电池)防止在再充电期间树枝状晶体形成、防止锂与电解质反应、以及增加循环寿命的多种原因，将电活性层与电化学电池的电解质隔开可以是期望的。例如，电活性锂层与电解质的反应可以导致在阳极上形成电阻膜阻挡，这可以增加蓄电池的内部电阻，降低在额定电压下通过蓄电池所能够提供的电流的量。已经提出包括用由聚合物、陶瓷或玻璃形成的界面或保护层涂覆锂阳极的多种不同方案以用于在这样的装置中保护锂阳极，这样的界面或保护层的重要特性为对于锂离子是传导的。
虽然多种用于保护锂阳极和其他碱金属阳极的技术和组分是已知的，然而这些保护涂层存在特别的挑战，特别是在再充电式蓄电池中。因为锂蓄电池通过在每个充电／放电循环中使锂从含锂阳极中移除和再电镀(或嵌入)而起作用，所以锂离子必须能够穿过任何保护涂层。涂层也必须能够经受由于在阳极处材料的移除和再电镀的形态变化。
许多单一薄膜材料，当沉积到电活性锂层的表面上时，并非具有使Li离子通过、驱使大量Li表面参与电流传导、保护金属Li阳极免受从阴极迁移的某些物质(例如，液体电解质和／或从基于硫的阴极中产生的多硫化物)损害、以及阻止高电流密度引起的表面损伤的所有必须的特性。本发明人已经研究出通过本发明的若干实施方案对这些问题的解决方案，所述解决方案包括：通过首先形成保护结构然后形成电活性层来形成电极的方法，这可以导致较平滑的电活性层表面，降低高电流密度引起的表面损伤；使用多层保护结构，这可以减少保护结构中缺陷的数量和／或赋予电极柔性；和/或在电极制造和/或使用期间施加的力的使用。
在本文中描述的许多实施方案中，描述了锂再充电式电化学电池(包括锂阳极)。例如，本文中所提供的描述可以涉及锂/硫蓄电池或锂离子蓄电池。然而，在本文中无论在什么情况下描述的锂电化学电池，应该理解可以使用任何类似的碱金属电化学电池(包括碱金属阳极)。此外，虽然本文中主要公开了再充电式电化学电池，但是非再充电式(一次)电化学电池也旨在从本文中描述的实施方案中受益。此外，虽然本文中描述的制品和方法在提供阳极保护和形成方面特别有用，但是该制品和方法也适用于阴极。
图1示出了根据一组实施方案的用于形成包括保护结构的电极的方法的实施例。如在图1中说明性示出的，过程10涉及包括具有多个层的保护结构30的制品20。在该实施例中，保护结构形成在集流器34之上，中间层36任选地存在于保护结构与集流器之间。该制品可以经受电活性材料前体的源50以形成电活性层46。例如，可以使用锂金属离子形式的前体以形成电活性含锂层例如锂金属层。
如本文中所使用的，当层被称为在另一层“上”、“之上”或与另一层“相邻”时，该层可以直接在该另一层上、之上或与该另一层相邻或者也可以存在中间层。在另一层“紧上”、与另一层“直接相邻”或与另一层“接触”是指不存在中间层。同样的，位于两个层“之间”的层可以是直接在两个层之间，使得不存在中间层，或者可以存在中间层。
在图1中示出的实施方案中，保护结构包括相对于彼此以交替顺序布置的至少两个聚合物层40和至少两个单离子传导层44。也可以为保护结构的层的其他构造，包括由单层形成的保护结构。单层可以由单个类型材料形成，例如，本文中所述用于多个分层结构的材料，或这样的材料的组合(例如，组合物)。
在本文中描述的许多实施方案中，保护结构的一个层或多个层设计为非电活性的，但是对碱金属离子(例如，锂离子)是传导的。例如，保护层可以包括锂或锂盐以有利于锂离子穿过该层的传导性。然而，这样的层通常是非电活性的意味着这样的层不用作在充电和放电期间的锂离子的源。
尽管图1示出了交替的聚合物层和单离子传导层，但是保护结构的一个或更多个层可以由可以传导Li离子的任何合适的材料包括陶瓷、玻璃、玻璃-陶瓷、金属和/或聚合物制成。在一些实施方案中，一个或更多个层可以基本上阻止电子穿过一个或更多个层的通道，然而在其他实施方案 中，一个或更多个层可以电子传导的。对于“基本上阻止”，在上下文中，是指在本实施方案中该材料使得锂离子通量比电子通道大至少十倍。在一些实施方案中，保护结构的层沉积到非常平滑且连续的(例如，在其表面上基本上没有突起和/或压痕)集流器34上或者中间层36上。正因如此，形成的保护结构的层也是平滑的。
在一些实施方案中，制品20不包括电活性层，所以它可以以比包括反应电活性材料(例如锂)的电极通常所需要的更加安全的方式被操作、运输或存储。此外，在集流器上形成保护结构的步骤可以与形成电活性层的步骤分离。在一些情况下，制品20可以通过第一实体形成，形成电活性层的步骤可以通过第二实体进行。例如，由制造商制成的制品20可以出售给最终用户，该用户在使用之前通过给制品充电然后形成电活性层。在其他实施方案中，形成电活性层的步骤可以在制品20形成之后过一段时间(例如，至少一天、一周、一个月或一年以后)进行。
此外，在一些涉及在不包括碱金属(例如，锂金属)的层之上形成保护结构的实施方案中，适合于形成具有减少的缺陷数量的层的条件可以是可能的。当使用一些现有方法在电活性锂层之上形成保护结构时，通常使用某些技术并且在合适温度、压力和／或速率下进行沉积以不对锂层产生负面影响。例如，锂金属具有相对较低熔点，所以通常在锂的熔点以下的温度下沉积形成在锂金属之上的层。根据用于形成保护层的具体技术和材料，这些条件可以导致具有缺陷的保护层的形成。当不存在电活性层时，然而，可以在较高的温度(和／或较高或较低的压力)下进行保护结构的一个或更多个层的沉积，这可以导致具有较少数量缺陷的层。因此，本文中描述的方法可以使得较大范围的条件和较多种类的技术可以用于形成保护结构。
如上所述，图1示出了可以任选地存在于保护结构与集流器之间的中间层36。中间层可以为有利于在其之上沉积保护结构的平滑层的一个或更多个薄层的形式。此外或可替代地，中间层可以有利于平滑电活性层的形成。例如，中间层可以用于例如通过降低电镀的能量和／或防止或最小化在该层上形成突起或压痕来导致甚至电活性层的电镀。中间层可以包括例如金属或半导体，但是也可使用其他材料。
在一些情况下，在电活性层的形成期间，中间层的至少一部分可以与电活性层整合。例如，包含金属Z的中间层可以导致在形成和/或使用电极期间形成锂-Z合金。在一些实施方案中，中间层可以由电活性材料形 成和/或包括电活性材料，例如碱金属(如，锂金属)，其可以用作用于形成相同材料电活性层的籽层。在这样的实施方案中，碱金属中间层可以以使得碱金属不足以参与包括这样的层的电化学电池的完全放电的量存在。在一些实施方案中，中间层不包括碱金属。在中间层包括电活性材料的实施方案中，电活性材料可以存在，但是与完整的电化学电池相比以相对少量存在以降低可用于潜在不期望反应的反应材料的量。在下文中将详细描述可以适合于中间层的材料的实例。
在一些实施方案中，一个或更多个中间层，如果存在，可以是薄的以使得保护层与集流器之间的距离小。在保护层的最靠近集流器的表面(例如，表面47)与集流器的最靠近保护结构的表面(例如，表面48)之间的距离可以在例如1nm至2微米之间变化。例如，该距离可以小于或等于2微米、小于或等于1.5微米、小于或等于1微米、小于或等于800nm、小于或等于600nm、小于或等于到400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、小于或等于40nm、小于或等于30nm、小于或等于20nm、小于或等于10nm、或者小于或等于5nm。在一些实施例中，该距离可大于或等于5nm、大于或等于10nm、大于或等于20nm、大于或等于30nm、大于或等于40nm、大于或等于50nm、大于或等于100nm、大于或等于200nm、大于或等于300nm、大于或等于400nm、大于或等于600nm、大于或等于至800nm、大于或等于1微米、或者大于或等于1.5微米。该距离的其他范围也是可以的。以上提及的范围的组合也是可以的(例如，小于2微米但大于或等于10nm的距离)。
在其他实施方案中，一个或更多个中间层，如果存在，可以相对较大(例如，使得保护层与集流器之间的距离比以上所列举的范围相对较大)，但是与完整的电化学电池相比，存在于集流器与保护层之间的层中的电活性材料(如果存在)的量相对较少。例如，中间层可以是用于锂离子蓄电池的含碳层，但是中间层中的碱金属物质(例如，锂)的量(如果存在的话)可以以使得碱金属不足以参与包括这样的层的电化学电池的完全放电的量存在。在一些情况下，存在于中间层中的碱金属的量可以小于包括这样的层的电化学电池完全放电所需量的1.0倍、0.8倍、0.6倍、0.4倍、0.2倍或0.1倍。在一些这样的实施方案中，如在下文中更详细地描述的，中间层的厚度可以在例如1nm至50微米之间变化。在一些情况下，中间层的至少一部分可以用于形成电活性层；即，在充电之后形成的电活性层可以包括中间层的至少一部分。
如本文中所述，本文中提供的方法和制品可以使得形成平滑表面。在一些实施方案中，电活性层、保护结构的层(例如，单离子传导层和／或聚合物层)、中间层和/或集流器的RMS表面粗糙度可以例如小于1μm。在一些实施方案中，对于这样的表面的RMS表面粗糙度可以例如为0.5nm至1μm(例如，0.5nm至10nm、10nm至50nm、10nm至100nm、50nm至200nm、以及10nm至500nm)。在一些实施方案中，RMS表面粗糙度可以小于或等于0.9μm、小于或等于0.8μm、小于或等于0.7μm、小于或等于0.6μm、小于或等于0.5μm、小于或等于0.4μm、小于或等于0.3μm、小于或等于0.2μm、小于或等于0.1μm、小于或等于75nm、小于或等于50nm、小于或等于25nm、小于或等于10nm、小于或等于5nm、小于或等于2nm、小于或等于1nm。在一些实施方案中，RMS表面粗糙度可以大于1nm、大于5nm、大于10nm、大于50nm、大于100nm、大于200nm、大于500nm、或大于700nm。也可以为其他值。也可以为上面提及的范围的组合(例如，RMS表面粗糙度小于或等于0.5μm并且大于10nm)。在一些实施方案中，位于保护结构与集流器之间的厚度小于2微米的中间层的RMS表面粗糙度例如小于1μm。中间层的RMS表面粗糙度可以为以上所述范围的一个或更多个。
如图1说明性示出的，电活性材料前体的源50可以位于保护结构的与集流器相反的一侧上。电活性材料前体的源可以为溶液形式(例如，作为电解质溶液的一部分)、固体形式(例如，作为电活性材料的层的一部分，或者作为阴极的一部分)，或者凝胶形式。在下文中将更加详细地描述其他实施例。可以在集流器34与源50之间施加电流和/或电压以导致电活性材料前体的离子传输穿过保护结构30以形成电活性层46。例如，可以向集流器34施加负电位，并且可以向在保护结构相反侧上的阴极施加正电位。因此，可以通过这样的过程形成包括电活性层的电极56。
在形成电活性层期间，电活性材料前体的源可以存在于相对于电极的组件(例如，图1的制品20)的任意合适的位置中。在一些实施方案中，源可以以电化学电池的形式与电极封装在一起。例如，如图2所说明性示出的，制品100，电化学电池可以包括与集流器34相邻的、任选具有位于保护结构与集流器之间的中间层(未示出)的保护结构30。制品可以还包括电解质140、阴极150和与阴极相邻的集流器(未示出)。制品可以还包括密封结构156以容纳电化学电池组件。如在图2中说明性示出的，电活性材料前体的源50可以作为阴极或电解质的一部分存在，但是也可以为其他构造。
在初始放电期间，电活性材料前体可以传输穿过保护结构以形成电活性层46作为电化学电池102的一部分。电活性层可以形成在保护结构与集流器之间。如本文中所述，在一些实施方案中，中间层可以存在于集流器与保护结构之间，但是中间层不是电活性的，或者在这个意义上是电活性最低的：即该层中存在不足够的电活性物质来参与包括这样的层的电化学电池的全放电(或者小于全放电的0.8倍、0.6倍、0.4倍、0.2倍或0.1倍)。在这样的实施方案中，在初始充电期间，电活性材料前体可以传输穿过保护结构以形成电活性层46作为电化学电池的一部分。例如，碱金属离子可以传输穿过保护结构，其可以嵌入到层46中以形成电活性层。正因如此，中间层可以包括适合于嵌入碱金属离子的材料。在一些情况下，方法包括形成包含碱金属的电活性层，其中电活性层包括中间层的至少一部分。
在一些情况下，电活性材料前体50与阴极结合使得在初始放电期间，前体传输穿过电解质和保护结构二者以形成电活性层。电活性材料前体可以为包含锂离子的材料的形式，例如，适合于用作锂离子阴极的材料。这样材料的非限制性实例包括镍钴锰锂离子(例如，LiNixMnyCozO2)、尖晶石型锂离子(例如，LiMn2O4)以及基于钴的锂离子(例如，LiCoO2)材料。可以用于锂离子阴极的其他材料在本领域中是已知的，其可以用作前体以形成电活性层。也可以使用除了基于锂的材料之外的其他碱金属阴极材料。
本领域的技术人员可以至少部分基于待形成的电活性层的期望的量和厚度和／或在初始充电期间可能损失(例如，通过不可逆反应)的任何电活性材料前体来计算电活性材料前体的量。
在其他实施方案中，电活性材料前体可以为存在于保护结构的与集流器相反一侧上的锂金属层的形式。例如，锂层可以存在于阴极与电解质(例如，固体电解质或凝胶电解质)之间、电解质与保护结构之间、在阴极与隔板(未示出)之间、隔板与保护结构之间或者在任意其他合适的位置处。在一些情况下，这样的电化学电池的组件的构造可以涉及与锂金属层最小限度反应的电解质。在其他实施方案中，电活性材料前体可以为夹在两个保护结构(例如，第一保护结构与第二保护结构)之间的锂金属层的形式，使得锂金属层不与电解质直接接触。在充电期间，锂金属层可以穿过第一保护结构，其可以在集流器与第一保护结构之间形成电活性层。在一些情况下，然后第一保护结构可以与原来夹有电活性材料前体的第二保护结构 直接相邻。也可以为其他构造。
在一些实施方案中，制品100包括与保护结构的表面132相邻的和／或在保护结构的与集流器相反的一侧上的聚合物凝胶层。在电活性层形成期间，电活性材料前体可以传输通过聚合物凝胶层和保护结构二者。在其他实施方案中，电活性材料前体的源可以存在于聚合物凝胶层中。
在其他实施方案中，电活性材料前体的源不是电化学电池的一部分，而是包含在用于形成电活性层的另一合适的结构中。例如，电活性材料前体可以为阴极的形式或者为与形成保护结构和集流器的制品隔开的电解质的形式。电活性材料前体可以为例如包含用于形成电活性层所需的组分的电解质浴(bath)。电活性层可以通过将电极浸入包括阴极的电解质浴中，施加合适的电流和／或电压以导致离子传输穿过电极前体的保护层来形成。在电极形成之后，其可以与其他组分组合以形成电化学电池。
在一些实施方案中，电活性材料前体的源可以为电极(例如，阴极)的形式，该阴极不同于与使用电活性材料前体形成的阳极一起使用的阴极。例如，参照图2，用于形成碱金属电极的碱金属离子的源可以为在保护结构与集流器之间电镀碱金属层期间插入制品100的电解质140中的第三电极的形式。在碱金属离子被传输穿过保护结构以形成电活性层之后，电活性材料前体的任何剩余源可以从电解质中移除。然后，存在于制品100中的剩余组件可以被封装以形成密闭的电化学电池。
应该理解，涉及电活性材料前体的源的其他构造也是可以的，本文中所提供的附图和描述为非限制性的。
本领域的普通技术人员可以选择适当的电压和／或电流以用于使电活性材料前体(例如，碱金属离子)传输穿过保护结构，任选地穿过其他组分例如聚合物凝胶层、电解质等。可以基于以下多种因素选择电压和／或电流：例如，电活性材料前体的材料组合物、保护结构的一个或更多个层和任何中间层；这样的层的厚度；通过这样的层的离子电导率；电活性材料前体的形式(例如，固体、液体或凝胶形式的材料)；以及其他因素。
在一些实施方案中，可以在初始充电期间施加电压和／或电流以形成电活性层，在整个充电期间，电压和／或电流的数量可以变化。在一组实施方案中，可以初始施加低电流或中等电流一段时间以有利于形成均匀且平滑的电活性(例如，锂金属)层。例如，可以在初始总充电的至少50％期间(例如，在初始总充电的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％期间，总初始充电的％是指在电极处沉积的电活性材料的总量的百分比)施加相对较低电流或中等电流。在一些实施方案中，可以在总初始充电的5％至90％期间施加这样的电流。可以通过施加逐渐减小充电(taper charge)进行继续充电；即，施加使得电流能够减小为预定值(例如，小于初始电流的20％、15％、10％、5％、2％、1％或0.5％)。给电极充电的方法以形成电活性层可以涉及使用变化倍率(例如，开始使用低倍率，然后斜升或步进到较高倍率)。在其他实施方案中，可以使用脉冲充电(充电一些毫秒之后休息一些毫秒)。脉冲充电的特定方案可以包括在每个充电脉冲之后利用短暂(<充电脉冲宽度的10倍)的放电以增加金属离子(例如，Li离子)传输。在一些情况下，可以使用这样充电方法的组合。也可以使用其他充电方法。
在初始充电期间使用的电流可以为例如1μA／cm2至1A／cm2(例如1μA／cm2至10μA／cm2、10μA／cm2至100μA／cm2、100μA／cm2至1mA／cm2、1mA／cm2至100mA／cm2、或100mA／cm2至1A／cm2)。在一些情况下，在初始充电的至少20％、至少40％、至少60％或至少80％期间施加的电流为至少10μA／cm2、至少100μA／cm2、至少1mA／cm2、至少10mA／cm2、或至少100mA／cm2。例如，在施加变化充电倍率时可以使用较高电流。在一些实施方案中，在初始充电的至少20％、至少40％、至少60％或至少80％期间施加的电流小于1A／cm2、小于100mA／cm2、小于10mA／cm2、小于1mA／cm2、小于100μA／cm2或小于10μA／cm2。也可以为其他范围。也可以为上述范围的组合。
施加的电压可以在例如相对于Lio／Li+为-1V至-100mV之间(例如，在相对于Lio／Li+为-1V至-500mV之间、在-500mV至-300mV之间、在-300mV至-100mV之间、或在-250mV至-100mV之间)变化。也可以为其他范围。施加的电压(以及施加的电流)可以取决于以下因素：例如极化、离子传输通过的各层的初始电阻以及电介质电导率和电池设计。
在一些实施方案中，本文中所描述的“初始充电”可以是在形成电极或电化学电池的过程期间的充电，例如，形成充电。这样的形成过程通常通过电极或电化学电池的制造商进行。形成还可以涉及例如使用一个或更多个蓄电池形成系统检测电极或电化学电池的其他特征，例如老化控制、充电／放电、以及OCV／ACR／DCR检测。在其他实施方案中，在本文中描述的“初始充电”可以指通过电极或电化学电池的最终用户所进行的初始充电。
将离子传输通过保护结构(和任选地其他组件)可以涉及以特定速率给制品充电以在保护结构与集流器之间形成电活性层。在一些实施方案中，可以以例如10C至C／120(其中1C是指电池一个小时被充满电，4C是指电池1／4小时或15分钟被充满电)的倍率进行充电。在一些实施方案中，进行充电的倍率为8C至C／60、4C至C／60、4C至C／30、或2C至C／15。在一些实施方案中，制品进行充电的倍率为至少C／120、至少C／90、至少C／60、至少C／50、至少C／40、至少C／30、至少C／20、至少C／10、至少C、至少2C、至少3C、至少4C、至少5C、至少6C、至少7C、至少8C、或者至少9C。在一些实施方案中，制品进行充电的倍率小于9C、小于8C、小于7C、小于6C、小于5C、小于4C、小于3C、小于2C、小于C、小于C／10、小于C／20、小于C／30、小于C／40、小于C／50、小于C／60、小于C／90、或小于C／120。也可以为其他范围。也可以为上述范围的组合(例如，至少4C且小于C／60的倍率)。
如在图2中说明性示出的，制品100不包括电活性层。正因如此，制品可以具有改进的安全特征使得其可以容易地操作、运输和／或存储。关于图1的制品20的上述优点也适用于图2的制品100。
如在图1和图2中说明性示出的，在一些实施方案中，如在下文中更加详细地描述的，在形成和／或使用制品期间，向制品施加具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性的力。例如，可以施加沿着箭头60的方向力，其中箭头62示出垂直于图1的制品20的表面47或48、图1的制品56的表面58或59、或图2中示出的制品的表面132或152的力的分量。
如本文中所述，本发明的制品和方法可以涉及包括用于保护电活性层的组件、但不包括电活性层本身的电极或电化学电池。这样的制品可以包括例如，集流器和位于与集流器直接相邻的、或者经由一个或更多个薄层或本文中描述的其他中间层与集流器隔开的保护结构。在一些实施方案中，这样的制品可以描述为“尚未进行放电”、“未放电”、“没有被放电”或“未在放电过程中使用”，意味着没有将大量离子从位于集流器与保护结构之间的存储器中释放并且传输穿过保护结构到保护结构的与集流器的相反的一侧(例如，以产生有用能量的方式)。因此，其特征在于这种方式的制品不意味着包括已经被最终用户循环和／或放电的电极和电化学电池。
在本文中所描述的电极和电化学电池包括位于集流器与保护结构之 间的离子的初始源的一些实施方案中，该源的至少10wt％、20wt％、40wt％、60wt％、80wt％、90wt％、95wt％、98wt％或99wt％未以离子的形式释放并且传输穿过保护结构到保护结构的与集流器相反的一侧。换句话说，初始存在于制品中的源的至少10wt％、20wt％、40wt％、60wt％、80wt％、90wt％、95wt％、98％或99％仍然位于集流器与保护结构之间。在一些情况下，在电极或电化学电池中在集流器与保护结构之间形成电活性层时、将电极装配到电化学电池中时、或者最终用户使用电极或电化学电池时或刚刚在这些之前时，在电极或电化学电池中存在以上所述的范围中的离子的源的量。
在一些实施方案中，本文中所提供的制品可以描述为“尚未进行充电／放电循环”、“未循环”或者“没有被循环”等，意味着没有大量离子从位于集流器与保护结构之间的存储器中释放并且传输穿过保护结构到保护结构的与集流器相反的一侧，以及没有大量离子从保护结构的与集流器相反的一侧传输穿过保护结构到位于集流器与保护结构之间的存储器(以任一的顺序)。
在一些实施方案中，本文中所提供的制品未经受使碱金属从制品中移除的电化学过程，例如使碱金属从位于集流器与保护结构之间的源移除，例如通过使碱金属的离子传输穿过保护结构到保护结构的与集流器相反的一侧。
在一些实施方案中，本文中所提供的制品未充电和／或放电(即，完全地或部分地循环)超过30次、20次、15次、10次、8次、6次、5次、4次、3次、2次或1次。在一些实施方案中，本文中所描述的制品可以以尚未进行完全充电和／或完全放电为特征。在一些情况下，电极或电化学电池可以以尚未进行充电和／或放电(部分地或完全地)为特征。在其他实施方案中，电极或电化学电池可以部分地充电(以及，任选地，在以后完全充电)，但未放电。在又其他实施方案中，电极或电化学电池可以部分地充电和／或放电。如本文中所述，在对电极或电化学电池进行完全充电时，可以在集流器与保护结构之间形成电活性层。
在一些实施方案中，本文中所提供的制品(例如，电极和电化学电池)，或者本文中所提供的制品的一些组件(例如中间层)，不包含为已经循环或使用的电极和／或电池所特有的残留材料，或者为已经循环或使用的电极和／或电池所特有的化合物的副产物。在一些情况下，本文中所提供的制品不包含为已经循环超过30次、20次、15次、10次、8次、6次、5次、4次、3次、2次或1次的电极和/或电池所特有的残留材料或者为已经循环超过30次、20次、15次、10次、8次、6次、5次、4次、3次、2次或1次的电极和/或电池所特有的化合物的副产物。
在一些实施方案中，本文中所提供的不包括电活性层的制品可以描述为“电极前体”或“电化学电池前体”。就该制品为用于形成包括电活性层(例如，位于集流器与保护结构之间的电极处的电活性层)的电极或电化学电池的结构，而言该制品可以为“前体”。
在一组实施方案中，本文中所描述的可以用作包括电活性层的电极的前体的制品包括多层结构形式的保护结构。多层结构可以允许锂离子(或其他碱金属离子)通过并且可以阻止可能以其他方式损害阳极的其他组分通过。有利地，多层结构可以降低缺陷的数量从而驱使大量Li表面参与电流传导，阻止高电流密度引起的表面损伤，和／或作为保护阳极免受某些物质(例如，电解质和/或多硫化物)损害的有效阻挡。
在一些实施方案中，多层结构包括具有不同化学组分的至少两层。多层结构可以包括例如至少第一单离子传导材料层(例如，含锂陶瓷或金属层)，以及定位成与单离子传导层相邻的至少第一聚合物层。在该实施方案中，多层结构可以任选地包括数组交替的单离子传导材料层和聚合物层。聚合物层或单离子传导层可以定位成与集流器相邻(或者如本文中所述的通过一个或更多个薄中间层与集流器隔离)。多层结构可以使得锂离子能够通过，同时限制可能不利影响电活性层的某些化学物质(当其存在时)通过。该布置可以提供显著的优点，因为可以选择赋予可最需要柔性的地方(即在充电和放电时发生形态变化的电活性层的表面处)柔性的聚合物。
根据需要，多层结构可以包括多种数量的聚合物/单离子传导对。通常，多层结构可以具有n个聚合物／单离子传导对，其中n可以基于电池的具体性能标准来确定。例如，n可以为等于或大于1、或者等于或大于2、3、4、5、6、7、10、15、20、40、60、80或100的整数。在一些实施方案中，多层结构可以包括1至100个聚合物／单离子传导对(例如，1至5、1至10、5至10、5至50、5至100、或者4至20个聚合物／单离子传导对)。在一些情况下，多层结构可以包括大于或等于4、大于或等于6、大于或等于8、大于或等于10、大于或等于12、大于或等于14、大于或等于16、大于或等于18、或者大于或等于20个聚合物／单离子传导对。在其他实施方案中，可以存在小于20、小于18、小于16、小于14、小于 12、小于10、小于8、小于6、小于4、或者小于2个聚合物／单离子传导对。也可以为其他范围。还可以为以上所述范围的组合。
在其他实施方案中，多层结构可以包括与单离子传导层相比更高数量的聚合物层，或者与聚合物层相比更高数量的单离子传导层。例如，多层结构可以包括n个聚合物层和n+1个单离子传导层，或者n个单离子传导层和n+1个聚合物层，其中n大于或等于2。例如，n可以等于2、3、4、5、6或7等。在一些情况下，以离子传导层中的至少50％、70％、90％或者95％，这样的层与聚合物层在任一侧直接相邻。
应该理解的是，在其他实施方案中，保护结构和／或多层结构不需要包括交替的聚合物和单离子传导层；其可以使用其他材料和构造(例如非交替层)。
如所述，多层电极稳定结构可以提供这样的显著的优点：使限定结构的特定量的材料较薄地布置，形成较大数量的限定结构的材料。在一些实施方案中，多层结构中的每一层的最大厚度小于或等于100微米、小于或等于50微米、小于或等于25微米、小于或等于10微米、小于或等于1微米、小于或等于500纳米、小于或等于200纳米、小于或等于150纳米、小于或等于125纳米、小于或等于100纳米、小于或等于75纳米、小于或等于50纳米、小于或等于25纳米、小于或等于10纳米或者小于或等于1纳米。有时，在多层结构中单一种类层的厚度可以相同。例如，在保护结构中图1的聚合物层40和44的厚度可以相同。在其他实施方案中，在多层结构中单一种类层的厚度可以不同，例如，在多层结构中聚合物层40可以具有不同的厚度。多层结构中的不同种类层的厚度在一些情况下可以相同、或者在其他情况下可以不同。例如，聚合物层40的厚度与单离子传导层的厚度可以不同。本领域技术人员可以结合本文中的描述来选择层的合适材料和厚度。
保护结构(例如，多层结构)可以具有可以依赖于例如电解质、阴极或者电极或电化学电池的具体用途的各种整体厚度。在一些情况下，保护结构(例如，多层结构)的整体厚度可以为例如50nm至100微米(例如，50nm至100nm、50nm至200nm、50nm至500nm、50nm至1微米、50nm至2微米、50nm至5微米、50nm至10微米、1微米至5微米、2微米至10微米、500nm至2微米、500nm至5微米或者10微米至100微米)。
在一些情况下，保护结构(例如，多层结构)的整体厚度可以为例如 小于或等于100微米、小于或等于75微米、小于或等于50微米、小于或等于25微米、小于或等于10微米、小于或等于5微米、小于或等于3微米、小于或等于2微米、小于或等于1.75微米、小于或等于1.5微米、小于或等于1.25微米、小于或等于1微米、小于或等于700nm、小于或等于500nm、小于或等于250nm、小于或等于100nm、小于或等于75nm或者小于或等于50nm。
在一些情况下，保护结构(例如，多层结构)的整体厚度可以为例如大于或等于50nm、大于或等于75nm、大于或等于100nm、大于或等于250nm、大于或等于500nm、大于或等于700nm、大于或等于1微米、大于或等于1.5微米、大于或等于2微米、大于或等于5微米、大于或等于10微米、大于或等于25微米、大于或等于75微米或者大于或等于100微米。也可以为其他值的厚度。还可以为以上所提及的范围的组合(例如，保护结构的整体厚度为大于50nm并且小于2微米)。
在一些实施方案中，也期望具有带有一定数目的聚合物/单离子传导材料对的具有一定厚度的多层结构。例如，在一个实施方案中，多层结构可以具有在以上所提及的范围中的一个或更多个范围中的厚度，其可以包括大于5、10、20、30、40、50或100个聚合物/单离子传导材料对。应该理解，本发明提供的多种实施方案均包括如本文中所述的整体保护结构厚度、单独层的厚度以及单独层的数量等的特定组合。
如本文中的描述所述，在一组实施方案中，保护结构包括与集流器相邻(或一个或更多个薄中间层)的聚合物层。在其他布置中，聚合物层不需要为与集流器或一个或更多个中间层相邻的第一层。本文中描述了包括多种多层结构的保护结构的多种布置，其中与集流器或中间层相邻的第一层可以或可以不为聚合物的。应该理解，在示出层的任何具体布置的所有布置中，层的交替排序在本发明的范围内。尽管如此，本发明中的一个方面包括通过将非脆性聚合物与集流器或一个或更多个薄中间层直接相邻而实现的特定优点。
在一些实施方案中，多层结构对电活性层比对包括在该结构中的任何单独层进行更好的保护。例如，多层结构中的层的每一层(例如单离子传导层或聚合物层)可以具有期望的特性，但同时当通过具有不同特性的其他组分进行补充时可以是最有效的。例如，单离子传导层可包括缺陷(例如针孔和/或粗糙)，其在操作时可能破裂。聚合物层尤其是交联的聚合物层例如可以提供非常平滑的表面，可以增加强度和柔性，其可以是电绝缘 的，但是可能使一些溶液和／或液体电解质通过。在其他实施方案中，聚合物层可以传导电子。因此，这些是可以在整个改进的保护结构中彼此补充的层的实施例。
因此，一些实施方案包括提供许多优于现有电极保护结构的优点的多层电极保护结构。多层保护结构可以设计为使缺陷最小化，所述缺陷可使用与在现有发明中的保护结构中所使用的那些材料相同或类似的材料(但不同地布置)，否则以其他方式可能固有地存在于现有电极保护结构中、或者可能固有地存在于电极保护结构中。例如，单离子传导层(或如本文中所述的制品中的其他组分)可以包括针孔、裂纹和／或晶界缺陷。一旦这些缺陷形成，则这些缺陷可以随着膜的生长而生长／蔓延穿过膜的整个厚度，其随着膜生长得更厚而变得更糟。通过用薄的、无针孔、平滑的聚合物层来将薄的单离子传导层彼此隔开，每个单离子传导层中的缺陷结构可以通过中间聚合物层而与每个其他单离子传导层中的缺陷结构隔离。因此，在这样的结构中实现了至少一个或更多个以下优点：(1)在一层中的缺陷不太可能与在另一层中的缺陷直接对准，通常在一层中的任何缺陷与另一层中的类似缺陷基本不对准；(2)通常，在单离子传导层中的任何缺陷与以其他方式在类似或同样材料的较厚层中的缺陷相比更小和／或较少有害。
在制造过程中交替的单离子传导层和聚合物层在彼此上面沉积时，每个单离子传导层具有待在其上生长的平滑、无针孔的聚合物表面。相反，在单离子传导层在另一单离子传导层上面沉积(或者作为单个，较厚层连续沉积)时，底层中的缺陷可以用于引起缺陷在沉积在底层上面的层中生长。也就是说，无论保护结构用较厚的单离子传导层还是多个单离子传导层在彼此上面建造，缺陷可以穿过厚度或逐层蔓延，随着结构生长，导致更大的缺陷和直接或基本上直接地贯穿整个结构蔓延的缺陷。在该布置中，单离子传导层也可以生长有与如果其直接沉积在较粗糙的Li或电解质层上将产生的缺陷相比更少的缺陷，尤其在最接近集流器的保护结构的第一层为聚合物层的布置中。因此，在该布置中，离子传导层可以制造为具有与在最接近的其他离子传导层中的缺陷不对准的整体较少的缺陷，当缺陷存在时，其通常与其他在沉积在彼此上面的相同或类似的材料的连续生长、较厚结构或层中存在的缺陷相比显著较少有害(例如，较小)。
多层保护结构可以通过减少物质(例如，电解质、盐、阴极放电产物、活性阴极产物以及多硫化物物质)到Li阳极的直接流动来用作优异的渗 透阻挡，因为这些物质具有通过层中的缺陷或开口空间而扩散的倾向。因此，可以减少树枝状晶体形成、自放电以及循环寿命的损失。
多层结构的另一个优点包括结构的机械特性。将聚合物层定位成与单离子传导层相邻可以降低单离子传导层破裂的倾向，其可以增加结构的阻挡特性。因而，与不具有中间聚合物层的结构相比，这些叠层对于由于在制造过程期间的操作引起的应力更坚固。另外，多层结构对伴随在电池的放电和充电的循环期间的锂从阳极往返移动而发生的体积变化也可以具有增加的耐受性。
通过在多层结构中提供单离子传导层和聚合物层的重复层也可以降低可以损害阳极的某些物质(例如，电解质和／或多硫化物)到达阳极的能力。当物质遇到单离子传导层的无缺陷部分时，如果物质通过非常薄的聚合物层横向扩散而遇到在第二单离子传导层中的缺陷，则物质可以朝向阳极传输。因为通过极薄层的横向扩散非常慢，所以随着单离子传导／聚合物层对的数量的增加，物质的扩散速率变得非常小(例如，穿透层的量降低)。例如，在一个实施方案中，相对于独自的单个单离子传导层，物质通过聚合物/单离子传导／聚合物3层结构的渗透可以降低三个数量级(例如，即使单独的多层也可以具有弱的阻挡特性)。在另一个实施方案中，聚合物/单离子传导／聚合物／单离子传导／聚合物5层结构可以具有与在单个单离子传导层中的物质渗透相比降低大于5个数量级的渗透。
相反，相同物质通过两倍厚度的单离子传导层的渗透可能实际上增加。在单独层的厚度降低的情况下，在有害物质通过保护结构的渗透上的这些显著降低可以随着层数量的增加而增加。也就是说，与特定整体厚度的单离子传导层和聚合物层的两层结构相比，相同整体厚度的交替单离子传导层和聚合物层的十层结构可以显著改变不期望的物质通过层的所降低的渗透。因为通过本文中所描述的保护结构所实现的显著优点，所以与某些现有技术结构相比，在特定保护结构中可以使用整体较低量的材料。因此，在特定蓄电池布置中所需的特定水平的电极保护下，可以使用显著较小质量的整体电极稳定材料，显著地降低了整体蓄电池重量。
在本文中所述的一些实施方案中，保护结构可以包括用可以为聚合物或其他物质的传输抑制物质处理的单离子传导层(例如，作为多层结构的一部分)，该处理使得单离子传导层的任何纳米孔和/或针孔用聚合物至少部分地填充。该填充产生了可以通过降低某些物质(例如，电解质、水以及氧)朝向阳极传输的速率来提高层的阻挡特性的经渗入的多孔阻挡材料 (IPBM)。
有利地，由于所得到的渗入传输抑制物质的网状物，所以填充的单离子传导层可以具有低渗透性和高柔性的组合。当选择聚合物时，相对于可以用于单离子传导层的脆性化合物，这样物质的较高的弹性模量可以提供IPBM的柔性以及抗断裂性，这对某些独自的单离子传导材料是不可能的。具有本文中其他地方所描述的物理特征的聚合物可以用于这样的渗入物质。由于在渗入之前单离子传导材料的高表面能量，不断裂的柔性可以提高渗入聚合物与单离子传导材料的内部表面之间的粘附。
在一个实施方案中，用传输抑制物质的单体前体对单离子传导层进行渗入，使得多孔结构有效地填充有单体，通过存在于单离子传导层的内部表面上的高表面能来驱使所述单体进入到多孔单离子传导层的纳米多孔区域中。在用单体处理之前可以用激活方法对单离子传导材料进行处理，使得材料内的表面能相对于在通常的大气处理中可实现的表面能变得异常的高。
在一些情况中，可以将单体蒸气凝聚到单离子传导材料层上，然后其由此能够沿着单离子传导材料层的内部表面通过毛细作用传送，直到这样的渗透的可获得的弯曲路径中的全部或一些有用部分被单体填充为止。然后，可以引入随后的固化步骤(光激发技术、等离子体处理或电子束)来使渗入的单体聚合。所利用的具体的固化方法取决于对除其他变量外的材料和层厚度的具体选择。
用作传输抑制物质的适合材料包括已知材料以完全或部分抑制(或通过简单筛选而确定来抑制)特定的不期望的物质穿过材料的传输。如所述，也可以根据物理特性(包括将柔性和／或强度添加到与其结合的整体材料的特性)来选择材料。如所述，材料的具体实例包括本文中所述的用于用作在多层结构中的层的聚合物，和／或其他聚合的或其他的物质。在将疏水性期望地添加到整体布置时，实现其的一个方式为使用具有一定程度疏水性质的渗入传输抑制物。
可以通过多种方式来实现IPBM型结构的形成；然而，在一些实施方案中，IPBM通过在现有技术制造工艺中可容易获得的真空气相沉积方法和设备来形成。因此，IPBM可以利用用于IPBM材料的多种现有技术蒸气源来形成。无机蒸气源可以包括现有技术中的任何适合的源，包括但不限于：溅射、蒸发、电子束蒸发、化学气相沉积(CVD)、等离子辅助CVD等。单体源可以为蒸气或液体的形式(例如，依赖于待填充的孔的 大小，其上沉积单体的表面的能量等)。单体蒸气源可以为任何适合的单体蒸气源，包括但不限于闪蒸、舟蒸发、真空单体技术(VMT)、聚合物多层(PML)技术、从可渗透的膜的蒸发或者发现的对于产生单体蒸气有效的任何其他源。例如，如前述在单体沉积的技术中一样，单体蒸气可以从多种可渗透的金属熔块中产生。这样的方法在美国专利第5,536,323号(Kirlin)以及美国专利第5,711,816号(Kirlin)等中教导。在一些情况下，可以使用聚合物／单体的大气涂覆(atmosphericcoating)例如一些基于液体的涂覆技术。
在用于在沉积单离子传导材料层期间或之后提供额外的活化能量的一些情况下，可以利用独立的活化。在一些情况下，例如在某些种类的非平衡磁控溅射、等离子体浸没，或等离子体增强CVD中，可以不需要独立的活化源，这是因为通过沉积方法本身已经得到足够的活化。可替代地，某些种类的单离子传导材料，例如提供催化的或低功函数表面的材料(例如ZrO2、Ta2O5，或者第IA族和第IIA族金属的各种氧化物以及氟化物)，即使在相关的非活化沉积工艺中也可以提供足够的活化。
不是所有的单离子传导材料层内的表面积都需要通过传输抑制物渗入以实现有效的渗透阻挡。因此，不要求对单离子传导材料层内的所有孔进行填充。在一些情况下，小于10％、小于25％、小于50％、小于75％或小于90％的孔和/或针孔中可以填充有聚合物，例如以实现降低某些物质穿过层的渗透。在一些情况下，只要对渗透有实质贡献的那些孔被聚合物基本填充，则可以获得以上所述的优点。
在一些实施方案中，存在于单离子传导层中的纳米孔／针孔为弯曲路径的形式。物质需要通过其以穿透整个多层布置来达到阳极的距离以及弯曲度可以是显著的。在纳米孔／针孔填充有穿透的传输抑制物(例如抑制聚合物)时，传输显著变慢。如上所述，与弯曲度结合，其可以导致这样物质的传输的指数降低以及循环寿命的指数增加。
增加层的数量(存在于离子传导材料中的针孔产生偏移)可以产生该弯曲路径。当使用单层的这样的材料时，接近电极的不希望的物质可以基本上更容易地通过针孔。在一些实施方案中，传输抑制物基本上填充了包括单离子传导材料和／或聚合物层中的针孔和纳米孔的所有空隙。在其他布置中，单离子传导材料和聚合物层之一或两者的空隙中的仅一部分被填充。在一些情况下，传输抑制物质为辅助物质，即，不是单离子传导材料本身的物质，和／或聚合物层的物质。也就是说，该材料可以为未形成这 些组件之一的一部分的物质(在以其他方式制造这些组件并将这些组件装配在一起时)，但是其只存在于填充这样的空隙所需的辅助过程中。在一些情况下，材料不是单离子传导材料或聚合材料本身。材料可以为对离子是传导的或者对离子是基本不传导的(例如，锂离子)，其可以是电子绝缘的或电子传导的。
在一些实施方案中，保护结构包括外层，例如与电池中的电解质接触的最外层。该外层可以为例如在图中所示的外层的层，或者可以为特别选择以与电解质直接接触的辅助外层。当使用这样的辅助外层时，在与水性电解质以及再充电式的锂蓄电池连接使用时可以将其选择为显著疏水的。外层可以选择为具有以下特性：例如，Li离子传导性、电子传导性、对可能对于存在于电解质中的组分是不稳定的底层的保护、用于防止电解质溶液穿透的无孔性、与电解质和底层的相容性以及对于容纳在放电和充电期间所观察到的层的体积变化的足够的柔性。外层还应该是稳定的，优选不溶于电解质中。
合适的外层的实例包括但不限于：具有一定锂溶解特性的金属、有机或无机固体聚合物电解质、聚合物凝胶以及电子或离子传导聚合物。在一个实施方案中，外层的聚合物选自：电子传导聚合物、离子传导聚合物、磺化聚合物以及碳氢聚合物。用于保护结构的外层中的合适聚合物的其他实例为描述在Ying等人的美国专利第6,183,901号中所述的那些。
如本文中所述，在一些实施方案中，保护结构包括聚合物层。在一个特定实施方案中，聚合物为特别柔韧的和／或有弹性的(非脆性)以提供特别的耐用、坚固、再充电式蓄电池。在该布置中聚合物可以具有以下特性中的至少一个，或任意数目的这些特性的组合：小于100、小于80、小于60、小于40或小于20的肖氏A硬度(或者0至10、10至20、20至30、30至40、40至50、50至60、60至70、70至80、80至90或者90至100的肖氏A硬度)，或者小于100、小于80，、小于60、小于40或小于20的肖氏D硬度(或者0至10、10至20、20至30、30至40、40至50、50至60、60至70、70至80、80至90或者90至100的肖氏D硬度)；小于10GPa、小于5GPa、小于3GPa、小于1GPa、小于0.1GPa或者小于0.01GPa的杨氏模量(弹性模量)(或者0.01GPa至0.1GPa、0.1GPa至1GPa、1GPa至2.5GPa、2.5GPa至5GPa的杨氏模量)；以及大于0.1MN／m3/2、大于0.5MN／m3/2、大于1.0MN／m3/2、大于2.0MN／m3/2、大于3.0MN／m3/2、或者大于5MN／m3/2的平均断裂韧度(例如，如在室温和 大气压力下测量的)。也可以基于与在如本文中所述的环境中的使用相关的一个或更多个特性来选择合适的聚合物，例如：玻璃化转变温度(Tg)、熔点(Tm)、强度(例如，压缩强度、伸长强度、弯曲强度以及屈服强度)、伸长率、塑性以及硬度(例如，如通过肖氏A或肖氏D硬度计或者洛氏硬度测试来测量的)。
聚合物层的厚度(例如，在多层结构之内)可以在10nm至10微米的范围内变化。例如，聚合物层的厚度可以为50nm至100nm、50nm至200nm、70nm至130nm、0.1微米至1微米、1微米至5微米、或者5微米至10微米。聚合物层的厚度可以小于或等于例如10微米厚、小于或等于7微米、小于或等于5微米、小于或等于2.5微米、小于或等于1微米、小于或等于500nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于100nm、小于或等于75nm或者小于或等于50nm。在一些实施方案中，聚合物层为至少10nm厚、至少50nm厚、至少100nm厚、至少200nm厚、至少500nm厚、至少1微米厚、至少2.5微米厚、至少5微米厚或者至少7微米厚。也可以为其他厚度。还可以为以上所述的范围的组合。
在包括具有多于一个聚合物层的多层结构的一些实施方案中，聚合物层的厚度可以在结构之内变化。例如，在一些情况下，最接近阳极层(例如，Li存储器)的聚合物层比结构中的其他聚合物层更厚。该实施方案可以例如通过在充电期间使得锂离子能够在阳极的整个表面更均匀地镀出来使阳极稳定。
用于在多层结构中使用的适合的聚合物层可以包括对锂具有高传导性的聚合物(在一些实施方案中，对电子最小传导性)。聚合物的非限制实例包括离子传导聚合物、磺化聚合物以及碳氢聚合物。聚合物的选择将依赖于包括在电池中所使用的电解质和阴极的特性的大量因素。合适的离子传导聚合物包括例如在用于锂电化学电池的固体聚合物电解质和凝胶聚合物电解质中有用的已知的离子传导聚合物，例如聚乙烯氧化物。合适的磺化聚合物包括例如磺化硅氧烷聚合物、磺化聚苯乙烯-乙烯-丁烯聚合物以及磺化聚苯乙烯聚合物。合适的碳氢聚合物包括例如乙烯-丙烯聚合物、聚苯乙烯聚合物等。
多层结构的聚合物层也可以包括由单体(例如丙烯酸烷基酯、乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇乙烯醚、聚乙二醇二乙烯醚)的聚合而形成的交联的聚合物材料以及在共同受让人Ying等人的美国专利 第6,183,901号中所描述的用于隔板层的保护涂覆层的那些。例如，一种这样的交联聚合物材料为聚二乙烯聚(乙二醇)。交联聚合物材料还可以包括盐(例如锂盐)以增强离子传导性。在一个实施方案中，多层结构的聚合物层包括交联聚合物。
可以适合在聚合物层中使用的其他类聚合物包括但不限于：聚胺(例如，聚(乙烯亚胺)和聚丙烯亚胺(PPI))；聚酰胺(例如，聚酰胺(尼龙)、聚(ε-己内酰胺)(尼龙6)、聚(己二酰己二胺)(尼龙66))，聚酰亚胺(例如，聚酰亚胺、聚腈以及聚(均苯四甲酰亚胺-1，4-二苯醚)(Kapton))；乙烯基聚合物(例如，聚丙烯酰胺、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(N-乙烯吡咯烷酮)、聚(氰基丙烯酸甲酯)、聚(氰基丙烯酸乙酯)、聚(氰基丙烯酸丁酯)、聚(氰基丙烯酸异丁酯)、聚(乙烯乙酸酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(2-乙烯基吡啶)、乙烯基聚合物、聚氯三氟乙烯以及聚(氰基丙烯酸异己酯))；聚缩醛；聚烯烃(例如，聚(1-丁烯)、聚(n-2-戊烯)、聚丙烯、聚四氟乙烯)；聚酯(例如，聚碳酸酯、聚对苯二酸丁二醇酯、聚羟基丁酸酯)；聚醚(聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(环氧丙烷)(PPO)、聚(四氢呋喃)(PTMO))；亚乙烯基聚合物(例如，聚异丁烯、聚(甲基苯乙烯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏氯乙烯)以及聚(偏氟乙烯))；聚芳酰胺(例如，聚(亚氨基-1，3-亚苯基亚氨基间苯二酰)以及聚(亚氨基-1，4-亚苯基亚氨基对苯二酰))；聚芳香杂环化合物(例如，聚苯并咪唑(PBI)、聚对苯撑苯并二唑(PBO)以及聚对苯撑苯并二噻唑(PBT))；聚杂环化合物(例如，聚吡咯)；聚氨酯；酚醛聚合物(例如，苯酚-甲醛)；聚炔(例如，聚乙炔)；聚二烯(例如，1，2-聚丁二烯、顺式或反式-1，4-聚丁二烯)；聚硅氧烷(例如，聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚(二乙基硅氧烷)(PDES)、聚二苯基硅氧烷(PDPS)以及聚甲基苯基硅氧烷(PMPS))；以及无机聚合物(例如，聚膦腈、聚膦酸酯、聚硅烷以及聚硅氮烷)。
这些聚合物的机械和电特性(例如，传导率、电阻率)是已知的。因此，本领域技术人员可以选择合适的聚合物用于锂蓄电池，例如，基于它们的机械和／或电特性(例如，离子和／或电子传导性)，和／或结合本文中的描述，基于本领域的知识可以对这样的聚合物进行改性来使能够传导离子(例如，传导单离子)和／或传导电子。例如，以上所列的聚合物材料还可以包括盐，例如锂盐(例如，LiSCN、LiBr、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiBF4、LiB(Ph)4、LiPF6、LiC(SO2CF3)以及LiN(SO2CF3)2)，以增强离子传导性。
可以通过例如电子束蒸发、真空热蒸发、激光烧蚀、化学气相沉积、热蒸发、等离子体辅助化学真空沉积、激光增强化学气相沉积、喷射气相沉积以及挤压成型等方法来沉积聚合物层。也可以通过旋涂技术来沉积聚合物层。用于沉积交联聚合物层的方法包括闪蒸方法，例如，如在Yializis的美国专利第4,954.371号中所描述的。用于沉积包含锂盐的交联聚合物层的方法可以包括闪蒸方法，例如，如在Afftnito等人的美国专利第5,681,615号中所描述的。用于沉积聚合物层所使用的技术可以依赖于待进行沉积的材料的种类、层的厚度等。
如本文中所述，在一些实施方案中，保护结构包括单离子传导层。在本文中所述的许多实施方案中，单离子传导层为非电活性的，但可以使得碱金属离子(例如，锂离子)能够穿过其通过。
在一些实施方案中，单离子传导材料为非聚合的。在一些实施方案中单离子传导材料可以为绝缘的。例如，在一些实施方案中，通过对锂离子是高度传导的并且对电子是最小传导的层来部分地或全部地来限定单离子传导材料。换句话说，单离子传导材料可以为选择来允许锂离子通过该层但阻止电子穿过该层通过的一种材料。在其他实施方案中，单离子传导层可以为对离子和电子两者均为高传导的。
在一些实施方案中，单离子传导层为金属层的形式(例如，非电活性金属层)。金属层可以包括金属合金层，例如尤其在使用锂阳极的情况下的锂化金属层。在一些情况下，可以使用半导体合金层。根据例如金属的具体选择、期望的锂离子传导性以及期望的金属合金层的柔性，金属或半导体合金层中的锂含量可以例如0.5重量％至20重量％。用于在单离子传导材料中使用的合适的金属包括但不限于：Al、Zn、Mg、Ag、Pb、Cd、Bi、Ga、In、Ge、Sb、As以及Sn。有时，在单离子传导材料中可以使用如以上所列的金属的组合。
在其他实施方案中，单离子传导材料可以包括陶瓷层，例如对锂离子传导的单离子传导玻璃。合适的玻璃包括但不限于：如本领域中已知的可以表征为包含“改性剂”部分和“网状物”部分的那些玻璃。改性剂可以包括在玻璃中传导的金属离子的金属氧化物。网状物部分可以包括金属硫属元素化物比如，例如金属氧化物或金属硫化物。单离子传导层可以包括含有选自以下的材料的玻璃-陶瓷层或玻璃层：氮化锂、硅酸锂盐、硼酸锂、铝酸锂、磷酸锂、氧氮化磷锂、锂硅硫化物、锂镓硫化物、氧化锂(例如，Li2O、LiO、LiO2、LiRO2，其中R为稀土金属)、氧化锂／碳酸锂混 合物、锂镧氧化物、锂钛氧化物、锂硼硫化物、锂铝硫化物、硫化锂(例如，Li2S、Li2Sx，其中x为小于8的整数)、锂磷硫化物及其组合。在一个实施方案中，单离子传导层包括以电解质形式存在的锂磷氧氮化物。在其他实施方案中，单离子传导层包括硅或其他半导体。也可以为以上所提及的材料的组合(例如，氮化锂和氧化锂)。例如可以使用材料的组合来降低一个或多个层的表面粗糙度。单离子传导材料的选择将依赖于包含但不限于在电池中使用的电解质和阴极的特性的大量因素。
对于在水和／或空气环境中使用的电池，例如具有基于水性的电解质的再充电式的蓄电池，单离子传导材料可以构造以阻止氢离子(质子)穿过单离子传导材料层。例如，在放电期间质子可以在电池的保护结构(例如多层结构)中逆电场而移动。然而在充电期间电场可以加速质子穿透保护结构。最终质子可以到达Li阳极层，并且例如生成其可以形成氢气或者其它物质泡沫并且可能在多层结构中导致分层或者其它不利效果。如下文更具体讨论的那样，单离子传导层可以与其它材料组合(例如用聚合物来浸渍)以阻碍氢离子和/或电子通过而又允许锂离子通过。
在将电极与基于水性的电解质一起使用的一个特定实施方案中，电极保护结构可以制成基本不能渗透水的。这可以通过选择为足够疏水的或者以其他方式阻止水传输的一种或更多种材料来实现。例如，保护结构可以包括足够疏水以防止水通过的层(例如，最接近电解质的顶层)。在一个布置中，中间层(例如，44、52和42等)可以制成足够疏水的以阻止水通过。在另一个实施方案中，层中的任一层单独地都不是足够疏水的或者以其他方式制定成基本防止水通过的，但是层合起来基本上防止水通过。例如，每一层、或者层的一些组合或次组合可以制成有点疏水使得每一层在一定程度上排斥水。在该布置中，层的组合可以制定成和／或选择成在整体上基本防止水通过。
可以用于对这样材料进行选择的一种疏水性的测量为在水与备选材料之间进行的接触角测量。“疏水性”在一些情况下可以认为是相对术语，在具体材料的特征知识和／或容易确定的接触角测量以选择材料来构造整体上显著地阻止水通过的阳极稳定结构的帮助下，本领域技术人员可以容易地选择具体的角度或疏水性的量。在该上下文中的“显著地”可以意指在使用水性电解质时，在再充电式装置的100个循环之后稳定组分水将在稳定组分之下的电极(与电解质相对的侧)上完全不存在，或者如果存在，将以小于在该位置处所测的包括所有分子类型的百万分之100份的量存 在。在其他实施方案中，水将以小于75ppm、小于50ppm、25ppm、10ppm、5ppm或2ppm的量存在。
单离子传导层的厚度可以在1nm至100微米的范围内变化。例如，单离子传导层的厚度可以为1nm至10nm、10nm至100nm、10nm至50nm、30nm至70nm、100nm至1000nm、1微米至5微米、5微米至10微米、10微米至20微米或者20微米至100微米。单离子传导层的厚度可以小于或等于例如100微米、小于或等于20微米、小于或等于10微米、小于或等于7微米、小于或等于5微米、小于或等于1000nm、小于或等于500nm、小于或等于250nm、小于或等于100nm、小于或等于70nm、小于或等于50nm、小于或等于25nm或者小于或等于10nm。在一些实施方案中，单离子传导层为至少10nm厚、至少30nm厚、至少100nm厚、至少1微米厚、至少2.5微米厚、至少5微米厚、至少7微米厚、至少10微米厚、至少20微米厚或至少50微米厚。也可以为其他厚度。还可以为以上所述范围的组合。在一些情况下，在多层结构中单离子传导层具有与聚合物层相同的厚度。
单离子传导层可以通过任何合适的方法例如溅射、电子束蒸发、真空热蒸发、激光烧蚀、化学气相沉积(CVD)、热蒸发、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、激光增强化学气相沉积以及喷射气相沉积等来沉积。所使用的技术可以依赖于待沉积的材料的种类、层的厚度等。
在一些实施方案中，可以用聚合物处理单离子传导层以使得单离子传导层的针孔和/或纳米孔可以填充有聚合物。如本文中所更详细地描述的，这样的实施方案可以阻止某些物质(例如，电解质和／或多硫化物)朝向阳极扩散，例如，通过增加这样的物质经过穿透整个多层布置以到达电活性层所需要的距离和弯曲度来阻止。
在一些实施方案中，保护结构的层对金属离子是高度传导的以有利于电活性层的形成。保护结构中的一个或更多个层、或者所有层(例如单离子传导层和/或聚合物层)的金属离子传导率可以为例如1×10-9ohm-1·cm-1至1×10-1ohm-1·cm-1(例如，1×10-7ohm-1·cm-1至1×10-2ohm-1·cm-1、1×10-6ohm-1·cm-1至1×10-2ohm-1·cm-1或者1×10-5ohm-1·cm-1至1×10-2ohm-1·cm-1)。在一些情况下，保护结构的一个或更多个层、或者所有层(例如单离子传导层和／或聚合物层)的金属离子传导率可以为例如大于或等于1×10-9ohm-1·cm-1、大于或等于5×10-9ohm-1·cm-1、大于或等于1×10-8ohm-1·cm-1、大于或等于5×10-8ohm-1·cm-1、大于或等于1×10-7ohm-1·cm-1、 大于或等于5×10-7ohm-4·cm-1、大于或等于1×10-6ohm-4·cm-1、大于或等于5×10-6ohm-1·cm-1、大于或等于1×10-5ohm-1·cm-1、大于或等于5×10-5ohm-1·cm-1、大于或等于1×10-4ohm-1·cm-1、大于或等于5×10-4ohm-1·cm-1、大于或等于1×10-3ohm-1·cm-1、大于或等于5×10-3ohm-1·cm-1、大于或等于1×10-2ohm-1·cm-1、大于或等于5×10-2ohm-1·cm-1。在一些实施方案中，保护结构的一个或更多个层、或者所有层(例如单离子传导层和／或聚合物层)的金属离子传导率可以为例如小于5×10-2ohm-1·cm-1、小于5×10-3ohm-1·cm-1、小于5×10-4ohm-1·cm-1、小于5×10-5ohm-1·cm-1、小于5×10-6ohm-1·cm-1、小于5×10-7ohm-1·cm-1或者小于5×10-8ohm-1·cm-1。也可以为其他的金属离子传导率。还可以为以上所述范围的组合(例如，具有大于或等于1×10-8ohm-1·cm-1并且小于1×10-2ohm-1·cm-1的金属离子传导率的材料)。
应该理解，一个或更多个单离子传导层均可以具有在以上所述的范围中的相同的离子传导率或不同的离子传导率，一个或更多个聚合物层均可以具有在以上所述的范围中的相同的离子传导率或不同的离子传导率。另外，单离子传导层的离子传导率可以与聚合物层的离子传导率相同或不同。在一些情况下，多层结构的每一层具有在以上所述的一个或更多个范围中的离子传导率(例如，大于或等于1×10-5 ohm-1·cm-1、大于或等于5×10- 5ohm-1·cm-1或者大于或等于1×10-4 ohm-1·cm-1)。
如上所述，多种离子传导物质以及聚合物质关于本发明是有用的。在一些情况下，使用也为电子传导的离子传导物质。在其他情况下，使用基本上非电子传导的离子导体物质。
包括适用于本发明的单离子传导物质，也基本上为电子传导的离子导体物质的实例包括锂合金，例如锂与第14族金属和第15族金属(例如，Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi)结合。对单离子传导也基本上为电子传导的聚合物包括掺杂有锂盐(例如，LiSCN、LiBr、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiBF4、LiB(Ph)4、LiPF6、LiC(SO2CF3)3以及LiN(SO2CF3)2)的电子传导聚合物(也已知为电子聚合物或传导聚合物)。传导聚合物在本领域中是已知的；这样的聚合物的实例包括但不限于：聚(乙炔)类、聚(吡咯)类、聚(噻吩)类、聚(苯胺)类、聚(芴)类、聚萘类、聚(对亚苯硫醚)类以及聚(对苯撑乙烯)类。
也可以将电子传导添加剂添加到聚合物(或者单离子传导材料)以形成电子传导层。某些电子传导材料的电子传导率可以为例如大于或等于 10-2ohm-1·cm-1、大于或等于10-1ohm-1·cm-1、大于或等于1ohm-1·cm-1、大于或等于10ohm-1·cm-1、大于或等于102ohm-1·cm-1、大于或等于103ohm-1·cm-1、大于或等于104ohm-1·cm-1或者大于或等于105ohm-1·cm-1。在一些实施方案中，材料的电子传导率可以为例如小于105ohm-1·cm-1、小于104ohm-1·cm-1、小于103ohm-1·cm-1、小于102ohm-1·cm-1小于10ohm-1·cm-1、小于1ohm-1·cm-1、小于10- 1ohm-1·cm-1或者小于10-2ohm-1·cm-1。也可以为其他传导率。还可以为以上所参考的范围的组合(例如，具有大于或等于10-2ohm-1·cm-1并且小于102ohm-1·cm-1的电子传导率的材料)。
基本上为非电子传导的离子传导物质的实例包括掺杂有锂盐的非电子传导材料(例如，电子绝缘材料)(例如，如本文中所述的那些)。例如，掺杂有锂盐的丙烯酸酯、聚环氧乙烷、硅氧烷、聚氯乙烯以及其他绝缘聚合物可以为离子传导的但基本上为非电子传导的。
在一些实施方案中，单离子传导材料也可以包括非聚合材料。一些非电子传导材料的电阻率可以为例如大于或等于103ohm-cm、大于或等于104ohm-cm、大于或等于105ohm-cm、大于或等于106ohm-cm、大于或等于107ohm-cm或者大于或等于108ohm-cm。在一些情况下，非电子传导材料的电阻率可以为例如小于108ohm-cm、小于107ohm-cm、小于106ohm-cm、小于105ohm-cm、小于104ohm-cm或者小于103ohm-cm。也可以为其他电阻率。还可以为以上所参考范围的组合。
本领域普通技术人员无需超常规实验即可选择同时为基本上电子传导和基本上非电子传导两者的单离子传导物质，并且可以使用简单筛选测试来从备选材料进行选择。简单筛选测试涉及将作为隔板的材料放置在需要离子物质和电子两者穿过其通过以运转的电化学电池中。这是用于使用的简单测试。如果在该测试中材料为基本上离子传导并且电子传导的，则整个所述材料的电阻或电阻率将为低的。本领域技术人员可以执行其他简单测试。
通常，也可以通过例如调整共聚物混合物的组分的量、调节交联(如果有)的程度等来选择或制定聚合物材料以具有如上所述的物理／机械特性。简单筛选测试(例如以上所述的那些)可以用于选择具有合适离子和／或电子特性的聚合物。
通过本文中所述的方法形成的电活性层可以包括基础电极材料例如锂金属。在一些实施方案中，锂金属可以为锂合金(例如，锂锡合金或锂 铝合金)的形式。其他碱金属也可以用作电活性材料。
电活性层的厚度可以从例如2微米至500微米变化。例如，电活性层的厚度可以小于或等于500微米、小于或等于200微米、小于或等于150微米、小于或等于100微米、小于或等于75微米、小于或等于50微米、小于或等于40微米、小于或等于30微米、小于或等于25微米、小于或等于10微米或者小于或等于5微米。在一些实施方案中，电活性层的厚度可以大于或等于2微米、大于或等于5微米、大于或等于10微米、大于或等于15微米、大于或等于20微米、大于或等于30微米、大于或等于40微米、大于或等于50微米、大于或等于75微米、大于或等于100微米、大于或等于150微米、大于或等于200微米或者大于或等于300微米。厚度的选择可以取决于电池设计参数例如所期望的锂的过剩的量、循环寿命以及阴极电极的厚度。在一个实施方案中，电活性层的厚度为2微米至100微米(例如，5微米至50微米、5微米至25微米、10微米至25微米或者5微米至30微米)。也可以为其他范围的厚度。还可以为以上所提及的范围的组合。
电极可以具有多种集流器中任意一种的功能。如本文中所述，集流器的表面可以非常平滑使得在集流器之上沉积的一个或更多个附加层也是平滑的。集流器对于本领域的技术人员是熟知的，其可以根据与该公开内容结合的本领域中的一般知识从合适材料中容易地选择。在一个布置中，集流器位于电极或电极前体的底表面(例如，在与保护结构相反的一侧)。在另一布置中，使用可以位于一个或多个边缘(即可以用于电极的多层的一侧)上的边缘集流器。在又另一布置中，可以将集流器穿过(例如，竖直地)电极的层。例如，竖直集流器可以基本上与保护结构的各层中的每一层垂直并且接触。在其他布置中，可以使用底集流器与一个或更多个边缘集流器和／或竖直集流器两者。当仅使用底集流器时，电极的层可以为电子传导以及锂离子传导。当使用边缘集流器时，可以选择电极的某些层以基本上抑制电子通过。
集流器用于有效收集贯穿电极所产生的电流以及给通向外部电路的电触点的附接提供有效表面。大范围的集流器在本领域中是已知的。合适的集流器可以包括例如金属箔(例如，铝箔)、聚合物膜、金属化聚合物膜(例如，铝化塑料膜例如铝化聚酯膜)、电子传导聚合物膜、具有电子传导涂层的聚合物膜、具有电子传导金属涂层的电子传导聚合物膜以及具有其中分散有传导颗粒的聚合物膜。
在一些实施方案中，集流器包括一种或更多种传导金属诸如铝、铜、铬、不锈钢以及镍。例如，集流器可以包括铜金属层。任选地，另一传导金属层(例如钛)可以定位在铜层上。钛可以提升铜层与其他材料(例如电活性材料层)的粘附。其他集流器可以包括例如延展金属网、金属网、金属格栅、延展金属格栅、金属棉、编织碳纤维、编织碳网、非编织碳网以及碳毡。此外，集流器可以是电化学非活性的。然而，在其他实施方案中，集流器可以包括电活性材料。
集流器可以通过任何合适的方法例如层压、溅射以及气相沉积而定位在表面(例如，基底或其他任何合适层的表面)上。在一些情况下，集流器配置成与一个或更多个电化学电池组件层叠的市售的片。在其他情况下，集流器在制造电极期间通过在合适表面上沉积传导材料来形成。
集流器可以具有任何合适的厚度。例如，集流器的厚度可以为例如0.1微米至50微米(例如，0.1微米至0.5微米厚、0.1微米至0.3微米厚、0.1微米至2微米厚、1微米至5微米厚、5微米至10微米厚、5微米至20微米厚或者10微米至50微米厚)。在一些实施方案中，集流器的厚度为例如20微米或更少、12微米或更少、10微米或更少、7微米或更少、5微米或更少、3微米或更少、1微米或更少、0.5微米或更少或者0.3微米或更少。在一些情况下，集流器的厚度可以为例如大于0.1微米、大于0.5微米、大于1微米、大于0.5微米、大于2微米、大于2微米。
如本文中所述，在一些情况下制品可以包括一个或更多个位于保护结构与集流器之间的中间层。在一些实施方案中，中间层包括金属。在其他情况下，中间层包括半导体。可以适用于中间层的材料包括例如第1族至第17族元素、第2族至第14族元素或者第2族、第10族、第11族、第12族、第13族、第14族、第15族元素。周期表的第2族的合适的元素可以包括铍、镁、钙、锶以及钡。第10族的合适的元素可以包括例如镍、钯或者铂。第11族的合适的元素可以包括例如铜、银或金。第12族的合适的元素可以包括例如锌、镉或汞。可以用在本发明中的第13族的元素可以包括例如硼、铝、镓、铟或铊。可以用在本发明中的第14族的元素可以包括例如碳、硅、锗、锡或铅。可以用在本发明中的第15族的元素可以包括例如氮、磷或铋。在一些情况下，中间层包括Al、Mg、Zn或Si。
当中间层包括金属时，应该理解的是：可以使用一种或更多种金属。类似地，当中间层包括半导体时，可以使用一种或更多种半导体材料。另 外，金属和半导体可以混合。也就是说，中间层可以为单金属、单半导体或者一种或更多种金属或者一种或更多种半导体的混合。以上列出合适金属的非限制实例，以上列出半导体的合适组分。本领域普通技术人员熟知可以由以上所列的一种或更多种元素或者其他元素形成的半导体。
在一些情况下，中间层由非金属形成。例如，中间层可以包括N、O或C。在一些实施方案中，中间层包括含碳材料(例如石墨)或者由其形成。
在中间层为非金属的形式的实施方案中，Li合金可以具有主要包含Li的初生相以及主要包含LixZy和Z的次生相，其中Z为合金组分。
在一些情况下，当中间层存在并与锂形成合金时，合金材料(可以包括适用于中间层的材料)可以以大于电活性层的25ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm、400ppm或者500ppm，但小于或等于1wt％、2wt％、5wt％、10wt％、12wt％、15wt％或者20wt％的量存在于电活性层中。如本文中所使用的，“电活性层的wt％”意指电活性层本身(不包括集流器、保护结构、电解质以及其他材料)的总重量的百分数。
以上所述材料(例如，金属、半导体、非金属、含碳材料)的组合也可以用于中间层。此外，在集流器与保护结构之间也可以存在多于一个的中间层(例如，至少2、3、4、5层)。
应该理解的是：在一些实施方案中，中间层可以存在于电极或电化学电池中，但在电极或电池的形成和/或使用期间不与电活性材料形成合金。在其他实施方案中，中间层可以设计为嵌入活性材料的离子。可以嵌入活性材料的离子(例如，碱金属离子)的合适的材料的非限制实例包括碳(例如，石墨)、硫化钛以及硫化铁。在一些情况下，中间层包括硅和/或锗。
在其他实施方案中，中间层包括锂层。位于集流器与保护结构之间的锂层的用途可以用作籽层使用以有利于电活性层的形成。例如，在某些条件下，中间锂层的使用可以导致平滑电活性锂层的形成。应该理解的是，在这样的实施方案中，尽管中间层可以包括锂，但中间层本身不用作电活性层。例如，中间层的厚度可以为这样的厚度，使得其不适合用于作为电活性层，但是适合用于在放电状态中所装配的电极或电化学电池中使用(例如，作为籽层)。在一些这样的实施方案中，例如，中间层以这样的量存在，使得材料参与电化学电池的完全放电的小于100％、小于80％、小于60％、小于40％、小于20％、小于10％、小于5％、小于2％或小 于1％。
在其他实施方案中，中间层不包括电活性材料例如锂。在一些情况下，中间层不包括锂金属。在一些实施方案中，中间层(或者位于集流器与保护结构之间的存储器)不包含为已经循环或使用的电极和／或电池所特有的残留材料(例如，残留的锂)，或者为已经循环或使用的电极和/或电池所特有的化合物的副产物。在又一其他实施方案中，完全不存在中间层。
位于集流器与保护结构之间的一个或更多个中间层的总厚度可以例如在例如1nm至50微米之间变化。例如，一个或更多个中间层的总厚度可以小于或等于50微米、小于或等于25微米、小于或等于15微米、小于或等于10微米、小于或等于5微米、小于或等于2微米、小于1.8微米、小于或等于1.5微米、小于或等于1微米、小于或等于800nm、小于或等于600nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、小于或等于40nm、小于或等于30nm、小于或等于20nm、小于或等于10nm、或者小于或等于5nm。在一些实施方案中，一个或更多个中间层的总厚度可以大于或等于5nm、大于或等于10nm、大于或等于20nm、大于或等于30nm、大于或等于40nm、大于或等于50nm、大于或等于100nm、大于或等于200nm、大于或等于300nm、大于或等于400nm、大于或等于600nm、大于或等于800nm、大于或等于1微米、或者大于或等于1.5微米、大于或等于2微米、大于或等于5微米、大于或等于10微米、大于或等于15微米、或者大于或等于25微米。也可以为其他范围的厚度。还可以为以上所提及范围的组合(例如，小于50微米但大于或等于2微米的厚度)。
如上所述，在一些实施方案中一个或更多个中间层可以为电活性的，或者在其他实施方案中可以为非电活性的。
可以通过本领域通常已知的任意各种方法(如物理或化学气相沉积法、挤压成型和电镀)来沉积本文所述的电极和／或电极前体的层(包括中间层，如果存在)。合适的物理或化学气相沉积方法的实例包括但不限于热蒸发(包括但不限于电阻式、电感式、辐射式和电子束加热式)、溅射(包括但不限于二极管式、DC磁控式、RF式、RF磁控式、脉冲式、双磁控式、AC式、MF和反应性式)、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、激光增强化学气相沉积、离子镀、阴极电弧、喷射气相沉积和激光烧蚀。
可以在真空或惰性气氛中进行层的沉积以使在所沉积的层中的副反 应最小化，所述副反应可能将杂质引入层中或可能影响层的所期望的形态。在一些实施方案中，在多级沉积设备中以连续方式沉积多层结构的层。
在一些情况下，可以用等离子体如CO2或SO2诱导层来处理制品的一个或更多个层。
图1中所示的电极还可以包括如本领域已知的在电流集电器的与保护结构相反的一侧上与电流集电器相邻的基底。基底用作其上沉积有集流器和／或保护结构的支承体，并且可以在制造期间为制品的操作提供附加的稳定性。另外，在传导基底的情况下，基底还可以起到集流器的作用，所述集流器用于有效地收集贯穿电极所产生的电流和给通向外部电路的电触点的附接提供有效表面。
在电极的领域中大范围的基底是已知的。合适的基底包括但不限于选自金属箔、聚合物膜、金属化聚合物膜、传导聚合物膜、具有导电涂层的聚合物膜、具有导电金属涂层的导电聚合物膜以及具有分散在其中的导电颗粒的聚合物膜的那些。在一个实施方案中，基底为金属化聚合物膜。在其他实施方案中，基底可以选自非电子传导材料。
在集流器和保护结构的外层之间的和包括集流器和保护结构的外层的电极的层可以具有任意适当的总厚度。在一些实施方案中，根据电极的具体应用，总厚度例如小于2cm、小于1.5cm、小于1cm、小于0.7cm、小于0.5cm、小于0.3cm、小于1mm、小于700微米、小于500微米、小于400微米、小于300微米、小于250微米、小于200微米、小于150微米、小于100微米、小于75微米、或小于50微米、小于25微米、或小于10微米。在一些情况下，这样的厚度适用于不包括电活性层的电极。在其他情况下，这样的厚度适用于包括电活性层的电极。
在一些实施方案中，本文所述的电极或电化学电池具有相对较大的面积或区域。例如，电极或电化学电池的宽度可以为至少1cm、至少2cm、至少4cm、至少6cm、至少为8cm、至少10cm、至少12cm、或者至少15cm。电极或电化学电池的高度可以为至少1cm、至少2cm、至少4cm、至少6cm、至少8cm、至少10cm、至少12cm、或至少15cm。因此，可以形成相对较大面积的设备(例如5cm×5cm，10cm×10cm)。也可以为其他大小和尺寸。
在一些实施方案中，本文所述的电极或电化学电池可用于(或被设计用于)具有特定容量的电化学电池。在一些情况下，电池的容量可以为例 如1安培·小时(Ah)至30Ah(例如1Ah至5Ah、5Ah至10Ah、或10Ah至30Ah)。电池的容量可以为例如至少1Ah、至少1.5Ah、至少2.0Ah、至少2.5Ah、至少2.8Ah、至少3.0Ah、至少3.5Ah、至少4.0Ah、至少5.0Ah、至少8.0Ah、至少10.0Ah、至少12.0Ah、至少14.0Ah、至少16.0Ah、至少18.0Ah、至少20.0Ah、至少22.0Ah、或至少24.0Ah。
电化学电池中所使用的电解质可以起到用于存储和传输离子的介质的作用，在固体电解质和凝胶电解质的特定情况下，这些材料可以另外起到阳极与阴极之间的隔板的作用。可以使用在阳极与阴极之间的能够储存和传输离子的任意合适的液体、固体或凝胶材料。电解质可以为非电子传导的以防止阳极与阴极之间的短路。在一组实施方案中，使用基于非水性的电解质，在另一组实施方案中，使用基于水性的电解质。
有用的非水性液体电解质溶剂的实例包括但不限于，非水性有机溶剂，例如N-甲基乙酰胺、乙腈、缩醛、缩酮、酯类、碳酸酯、砜类、亚硫酸酯、环砜烷、脂族醚、无环醚、环醚、甘醇二甲醚、聚醚、磷酸酯、硅氧烷、二氧戊环、N-烷基吡咯烷酮、前述取代的形式及其混合物。可以使用的无环醚的实例包括但不限于，二乙醚、二丙醚、二丁醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、1，2-二甲氧基丙烷以及1，3-二甲氧基丙烷。可以使用的环醚的实例包括但不限于，四氢呋喃、四氢吡喃、2-甲基四氢呋喃、1，4-二氧六环、1，3-二氧戊环和三烷。可以使用的聚醚的实例包括但不限于，二乙二醇二甲醚(二甘醇二甲醚)、三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚)、四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚)、较高的甘醇二甲醚、乙二醇二乙烯醚、二乙二醇二乙烯醚、三乙二醇二乙烯醚、二丙二醇二甲醚和丁二醇醚。可以使用的砜类的实例包括但不限于，环丁砜、3-甲基环丁砜和3-环丁砜。前述的氟化衍生物也可以用作液体电解质溶剂。还可以使用本文所述的溶剂的混合物。
在一些实施方案中，电解质可以存在为与保护结构(例如在与集流器相反的一侧上)相邻的聚合物层。在一些情况下，除了能够起到用于存储和传输离子的介质的作用，位于阳极与阴极之间的聚合物层还可以起到将阳极(例如阳极的基电极层)与在施加的力或压力下任意粗糙阴极隔离的作用，在力或压力下保持阳极的表面平滑，通过保持在基电极层和平滑的聚合物层之间的多层压来使阳极的任意多层结构(例如陶瓷聚合物多层)稳定。在一些这样的实施方案中，聚合物层可以被选择为顺从的(complaint)并具有平滑的表面。
液体电解质溶剂也可以用作凝胶聚合物电解质的增塑剂。有用的凝胶聚合物电解质的实例包括但不限于：包括选自聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丙烯腈、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚醚、磺化聚酰亚胺、全氟化膜(NAFION树脂)、聚二乙烯基聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或更多种聚合物的那些、上述物质的衍生物、上述物质的共聚物、上述物质的交联和网状结构以及上述物质的混合物；并且任选地一种或更多种增塑剂。
有用的固体聚合物电解质的实例包括但不限于：包括选自聚醚、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚丙烯腈、聚硅氧烷中的一种或更多种聚合物的那些、上述物质的衍生物、上述物质的共聚物、上述物质的交联和网状结构、以及上述物质的混合物。
适当的非水性电解质可以包括有机电解质包括选自液体电解质、凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质中的一种或更多种材料。Dorniney在Lithium Batteries，NewMaterials，Developments and Perspectives，Chapter4，137-165页，Elsevier，Amsterdam(1994)中描述了用于锂蓄电池的非水性电解质的实例。ALamgir等人在LithiumBatteries，New Materials，Developments and Perspectives，Chapter3，93-136页，Elsevier，Amsterdam(1994)中描述了凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质的实例。如本文中所述，在一些情况下，使用电解质作为电活性材料前体的源。
除了本领域已知的用于形成电解质的电解质溶剂、胶凝剂和聚合物以外，电解质还可以包括本领域也已知的一种或更多种离子电解质盐以增加离子传导率。
用在本文所述的电解质中的离子电解质盐的实例包括但不限于：LiSCN、LiBr、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiBF4、LiB(Ph)4、LiPF6、LiC(SO2CF3)3以及LiN(SO2CF3)2。其他可能有用的电解质盐包括锂的多硫化物(Li2Sx)和有机离子多硫化物的锂盐(LiSxR) n，其中x为1至20的整数，n为1至3的整数，R为有机基团，这些公开于Lee等人的美国专利第5,538,812号中。可以使用的溶剂中的锂离子盐的浓度范围为例如0.2m至2.0m(m为摩尔／kg溶剂)。在一些实施方案中，使用0.5m至1.5m的浓度。将锂离子盐添加至溶剂是可选的，这是因为在Li／S电池放电时，所形成的锂硫化物或锂多硫化物通常向电解质通过离子传导性，这样可以使离子盐的添加不是必需的。此外，如果使用离子N-O添加剂诸如无机硝酸盐、有机硝酸盐或无机亚硝酸盐，那么 其可以向电解质提供离子传导性，在此情况下，可以不需要额外的离子锂电解质盐。
如本文所指出的，在一些实施方案中，可以使用电极来增强采用基于水性的电解质的再充电式锂蓄电池的寿命。如本文中所用的，“基于水性的电解质”是指包含至少20重量％的水、更通常至少50重量％、70重量％、80重量％或95重量％或更多的水的电解质。本文所述的一些附加特性可以帮助在水性环境或者暴露于空气或氧气的环境中有用的再充电式蓄电池中起作用。在基于水性的电解质的情况下，在一组实施方案中，电解质被配制为使得具有至少7.1的pH，在其他实施方案中，例如提供碱性形式的电解质，其具有至少7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7或7.8的pH，使得其固有地显著减少了氢离子的存在，如果暴露于锂或其他碱金属电极，那么氢离子的存在可是破坏性的。在一些实施方案中，在第一次放电之前电解质的pH可以为7至8、8至9、9至10、10至11或11至12。
可以由本领域的普通技术人员来进行配制碱性形式的电解质，而无需过多的实验，其提供给电解质以在装置中有效起作用的能力而不会导致抑制性或其他破坏性的行为。可以添加到基于水性的电解质的锂蓄电池所采用以实现如上所述的碱性pH的适当的碱性物质可以取决于例如锂蓄电池的具体组分、使用的环境(例如空气／氧气或水的环境)、使用蓄电池的方法(例如一次或二次蓄电池)等。适当的碱性物质的选择也可以根据物质的碱度(例如pH值)、物质的扩散系数、和/或物质与电解质反应的可能性、电解质中的其他组分、阳极的组分(例如聚合物层、单离子传导层和电活性层)、和/或阴极材料。通常，避免了碱性物质与蓄电池的这样的组分之间的化学反应。因此，本领域的普通技术人员可以通过例如知道蓄电池组分以及物质与组分之间的反应的可能性；和／或通过简单的筛选试验来选择适当的碱性物质。
一种简单的筛选试验可以包括在电池的材料组分(例如单离子传导材料)存在下，将物质添加到电解质，确定物质是否产生反应和／或负面影响材料。另一简单的筛选试验可以包括：在蓄电池组分存在下，将物质添加到蓄电池的电解质；对蓄电池进行放电／充电；与在控制系统中的行为相比，观察是否发生抑制性或其他破坏性行为。其他简单的试验可以由本领域的普通技术人员实施。
可以添加到基于水性的电解质的锂蓄电池所采用以实现如上所述的碱性pH的物质包括包含碱金属和碱土金属(分别为第1族和第2族金属) 的碱以及含铵的物质(例如氢氧化铵、碳酸盐和硫化物)。可以添加到基于水性的电解质以实现碱性pH的物质的具体实例包括但不限于：氨、苯胺、甲胺、乙胺、吡啶、碳酸钙、氢氧化钙、氢氧化亚铁、醋酸钾、碳酸氢钾、碳酸钾、氰化钾、氢氧化钾、乙酸钠、苯甲酸钠、碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠、硅酸钠、倍半碳酸钠、磷酸钠、磷酸氢钠、亚硫酸钠、氰化钠、磷酸三钠、氢氧化镁、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化锂、氢氧化铷、氢氧化铯和氢氧化锶。本领域的普通技术人员确定所需要的添加剂的量以生成所期望的pH的电解质是常规的。
在一些实施方案中，可以将添加剂并入本文所述的电化学电池中，所述添加剂在电化学电池的充电／放电期间，可以减少或防止杂质的形成和／或包括电极和电解质材料的电化学活性材料的损耗。
可以使用用于阴极的任意适当的阴极活性材料。在一些实施方案中，锂离子蓄电池通常使用的阴极可以与本文所述的实施方案结合。在一些情况下，阴极活性材料包括含锂金属氧化物(包括混合的氧化物)、含锂过渡金属氧化物或含锂磷酸盐。过渡金属的实例包括Mn、V、Cr、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os和Ir。材料的非限制性实例包括锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂铁磷酸盐和锂钒氧化物。材料的具体实例包括LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、Li2FePO4F、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNi1-yCoyO2和Li(LiaNixMnyCoz)O2。在一些实施方案中，从本文中公开的适合用于单离子传导层的材料选择出的材料可以用作活性阴极材料。
在一些实施方案中，用于阴极的适当的阴极活性材料可以包括电活性过渡金属硫族化合物、电活性传导聚合物、电活性含硫材料及其组合。如本文中所用的，术语“硫族化合物”属于包含氧、硫和硒的元素中的一种或更多种的化合物。适当的过渡金属硫族化合物的实例包括但不限于：电活性氧化物、硫化物和选自Mn、V、Cr、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os和Ir的过渡金属的硒化物。在一个实施方案中，过渡金属硫族化物选自镍、锰、钴和钒的电活性氧化物以及铁的电活性硫化物。在一个实施方案中，阴极活性层包括电活性导电聚合物。适当的电活性导电聚合物的实例包括但不限于：选自聚吡咯、聚苯胺、聚亚苯基、聚噻吩以及聚乙炔的电活性的和导电的聚合物。优选的导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺和聚乙炔。
如本文所用的“电活性含硫材料”涉及包括任何形式的元素硫的阴极 活性材料，其中电化学活性涉及硫-硫共价键的断裂或形成。适当的电活性含硫材料包括但不限于元素硫和包含硫原子和碳原子的有机材料，电活性含硫材料可以是或可以不是聚合的。适当的有机材料包括还包含杂原子、导电聚合物链段、复合物和导电聚合物的那些。
在涉及Li／S系统的一些实施方案中，以其氧化形式的含硫材料包括选自共价-Sm-部分、离子-Sm --部分和离子Sm 2-部分(其中m为等于或大于3的整数)的聚硫化物部分Sm。在一个实施方案中，含硫聚合物的聚硫化物部分Sm中的m为等于或大于6的整数。在另一个实施方案中，含硫聚合物的聚硫化物部分Sm中的m为等于或大于8的整数。在另一个实施方案中，含硫材料为含硫聚合物。在另一个实施方案中，含硫聚合物具有聚合物主链，聚硫化物部分Sm由作为侧基团的其端硫原子中的一个或两个与聚合物主链共价键合。在又一个实施方案中，含硫聚合物具有聚合物主链，聚硫化物部分Sm通过聚硫化物部分的端硫原子的共价键合而并入聚合物主链。
在一个实施方案中，电活性含硫材料包括大于50重量％的硫。在另一个实施方案中，电活性含硫材料包括大于75重量％的硫。在又一个实施方案中，电活性含硫材料包括大于90重量％的硫。
如本领域已知的，用于实施本发明的电活性含硫材料的性质可以广泛变化。在一个实施方案中，电活性含硫材料包括元素硫。在另一个实施方案中，电活性含硫材料包括元素硫和含硫聚合物的混合物。
含硫聚合物的实例包括以下所描述的那些：Skotheim等人的美国专利第5,601,947号和第5,690,702号；Skotheim等人的美国专利第5,529,860号和第6,117,590号；以及美国专利申请第08／995，122号(如今是共同受让人Gorkovenko等人的于2001年3月13日授权的美国专利第6,201,100号以及PCT公开号WO99／33130)。Skotheirn等人的美国专利第5,441,831号；Perichaud等人的美国专利第4,664,991号；以及Naoi等人的美国专利第5,723,230号、第5,783,330号、第5,792,575号和第5,882,819号中描述了其他适当的包括聚硫化物键的电活性含硫材料。电活性含硫材料的更多实例包括如下所述的包含二硫键基团的实例：例如Armand等人的美国专利第4,739,018号；De Jonghe等人的美国专利第4,833,048号和第4,917,974号；Visco等人的美国专利第5,162,175号和第5,516,598号；以及Oyama等人的美国专利第5,324,599号，其中每一篇的全部内容均通过引用并入本文。
在一些情况下，可以使用如2011年2月23日提交的题为“Porous Structures forEnergy Storage Devices”的美国专利申请系列第13／033,419号中所述的多孔阴极，其全部内容通过引用并入本文。
阴极还可以包括一种或更多种导电填料以提供增强的电子传导性。导电填料的实例包括但不限于包含导电性碳、石墨、活化碳纤维、非活化的碳纳米纤维、金属薄片、金属粉末、金属纤维、碳织物、金属网以及导电聚合物的那些。导电填料如果存在，则导电填料的量可以以阴极活性层的2重量％至30重量％的量存在。阴极还可以包括其他添加剂，所述添加剂包括但不限于金属氧化物、氧化铝、二氧化硅和过渡金属硫族化物。
阴极还可以包括粘合剂。对粘合剂材料的选择可以广泛变化，只要其相对于阴极中的其他材料是惰性的即可。有用的粘合剂是允许易于处理电池电极组成的通常为聚合物的那些材料，并且是电极制作领域技术人员公知的。有用的粘合剂的实例包括聚四氟乙烯(Teflon)、聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)、乙烯-丙烯-二烯(EPDM)橡胶、聚环氧乙烷(PEO)、UV可固化丙烯酸酯、UV可固化甲基丙烯酸酯、和热固化性二乙烯醚等。如果存在粘合剂，那么粘合剂的量可以以阴极活性层的2重量％至30重量％的量存在。
本文所描述的实施方案中所用的阴极可以处于完全充电的状态、完全放电的状态、或部分充电/部分放电的状态。
在一些实施方案中，电化学电池还可以包括介于阴极和阳极之间的隔板。所述隔板可以为使阳极与阴极彼此隔离或绝缘以防止短路，并且使得离子能够在阳极与阴极之间传输的固体非传导材料或绝缘材料。
隔板的孔可以部分地或基本地填充有电解质。隔板可以被提供为在电池的制造期间与阳极和阴极交错的多孔自支撑膜。可替代地，可以将多孔隔板层直接应用到电极之一的表面上，如Carlson等人的PCT公开第WO99／33125号和Bagley等人的美国专利第5,194,341号所描述的。
各种隔板材料在本领域是已知的。适当的固体多孔隔板材料的实例包括但不限于如聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维滤纸和陶瓷材料。适用于本发明的隔板和隔板材料的其他实例为包括微孔干凝胶层例如微孔拟勃姆石(pseudo-boehmite)层的那些，所述材料可以被设置为自支撑膜或通过在电极之一上直接施加涂覆来设置，如共同受让人Carlson等人的美国专利申请系列第08／995,089号和第09／215,112号所描述的。固体电 解质和凝胶电解质除了其电解质功能以外也可以起到隔板的作用。
在一些实施方案中，电化学电池或电化学电池均不包括隔板。
如上提到的，在一些实施方案中，本文中的制品和方法涉及力的施加。在一些实施方案中，所述力包括相对于电极或电化学电池的表面具有法向分量的各向异性力。在平面的情况下，在施加力的点处，所述力可以包括相对于表面具有法向分量的各向异性力。例如，参见图1和图2，可以以箭头60的方向施加力。箭头62示出了垂直于电极或电化学电池的表面的力的分量。这样的表面可以包括例如保护结构的表面、集流器的表面、基底的表面、电活性层(如果存在的话)的表面、或者制品的任何其他适当组件的表面。在弯曲表面(例如凹表面或凸表面)的情况下，在施加力的点处，所述力可以包括相对于与弯曲表面相切的平面具有法向分量的各向异性力。
在一些实施方案中，在形成电极期间的至少一段时间内，施加相对于电极或电化学电池的表面具有法向分量的各向异性力。在一些实施方案中，在充电(和／或放电)期间的至少一段时间内，施加相对于电极或电化学电池的表面具有法向分量的各向异性力。在其他实施方案中，在电化学电池的使用期间(例如，在充电和／或放电期间)的至少一段时间内，施加相对于电极或电化学电池的表面具有法向分量的各向异性力。在一些实施方案中，可以持续地、在一段时间内、或在持续时间和／或频率可以变化的多个时间段内施加力。在一些情况下，可以在任选地分布在组件的整个表面(或至少50％、60％、70％、80％、90％、或95％的表面区域)上的一个或更多个预先确定的位置处施加各向异性力。在一些情况下，可以向组件的100％的表面区域施加各向异性力。在一些实施方案中，在组件的表面上均匀地施加各向异性力。
“各向异性力”以在本领域中具有的普通含义给出并且指的是在所有方向均不相等的力。在所有方向均相等的力为例如在流体或材料内的流体或材料的内部压力，例如物体的内部气体压力。在所有方向均不相等的力的实例包括指向特定方向的力，例如在桌子上的物体经由重力而施加在桌子上的力。各向异性力的另一实例包括通过在物体周边周围布置的带状物所施加的力。例如，橡胶带或螺丝扣可以在周围被其覆盖的物体的周边周围施加力。然而，带状物不能在物体的未与带状物接触的外部表面的任意部分施加任意方向的力。此外，当带状物沿着第一轴线扩展到大于第二轴线的程度时，与在平行于第二轴线的方向施加的力相比，带状物沿着平行 于第一轴线的方向施加的力可以更大。
相对于表面(例如电极的保护结构的表面)具有“法向分量”的力可以被以本领域的普通技术人员将理解的普通含义给出，其包括例如至少部分地以基本上垂直于表面的方向施加到其本身的力。例如，在水平桌子的情况下，其中所述桌子上放置有物体，所述物体仅受重力影响，那么物体将力基本完全地垂直施加至桌子的表面。如果物体还被推动横向穿过水平桌子表面，那么物体在桌子上施加的力并不完全垂直于水平表面，所述力包括相对于桌子表面的法向分量。本领域普通技术人员可以理解这些术语的其他实例，尤其是应用在本文献的说明书中的术语。
在一些实施方案中，各向异性力可以被施加为以使得在限定电极(或电化学电池)的横截面的平面内的力的大小沿着所有方向基本相等，但在平面外方向的力的大小基本不等于在平面内力的大小。例如，圆柱状带可以被定位在电池外部的周围使得以朝向电池中心轴的方向向电池施加力。在一些实施方案中，沿着朝向电池的中心轴的方向的力的大小不同于(例如大于)沿着平面外方向施加的力的大小。
如本文所述，在充电和／或放电期间的至少一段时间内，本文所描述的制品可以被构造和布置以施加具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性力。那些本领域的普通技术人员将会理解其含义。在这样的布置中，制品可以形成为容器的一部分，容器凭借通过由于电池本身的一个或更多个部分的膨胀或收缩，在电极或电化学电池的组合期间或之后施加、或在电极或电池的使用期间施加“负载”来施加这样的力。
在一些实施方案中，当在电极形成期间施加力时，所施加的力的大小足够大以增强电极的形成工艺。在一些情况下，电极(和/或电化学电池)和各向异性力的分量可以被一起选择成使得各向异性力影响所形成的电活性层的表面形态(例如减少在这样层中形成的“苔藓”的量)。在一些实施方案中，相比于在不存在这样的力的情况下形成的电活性层，在电活性层的形成期间的力的施加导致形成更加平滑的电活性层。也可以形成电活性层的较平滑分布。这些性质可以导致在电活性层的整个表面上改善的电流分布，其可以提高结合这样的层的电化学电池的循环寿命。
在其他实施方案中，所施加力的大小足够大以增强电化学电池的性能。所施加的力可以用于抑制通过充电和放电的电活性层表面积的增加，其中在不存在各向异性力，但在其他方面基本相同的条件下，通过充电和放电循环，阳极活性表面积被增加较大的程度。在上下文中“基本相同的 条件”指的是除了力的施加和／大小以外其他条件均相似或相同的条件。例如，其他相同条件可以指的是相同的电池，但所述电池不被构造(例如，通过支架或其他连接件)为向主体电池施加各向异性力。
可以至少部分地根据如下条件来选择各向异性力的大小：所形成的或待形成的电活性层的材料组成(例如这是因为也可以在层的形成期间和之后，向电活性层施加力)和／或电活性材料的屈服强度。例如，在电活性层的表面是相对较软的情况下，垂直于电活性层的表面的力的分量可以被选择为较低。在电活性层的表面是较硬的情况下，垂直于电活性层的表面的力的分量可以较大。那些本领域的普通技术人员可以容易地利用已知或可预测的性能来选择阳极材料、合金、混合物等，或者容易地测试这样表面的硬度或柔软度，并且容易地选择电池构造技术和布置以提供适当的力来实现本文所述的内容。可以例如通过以下过程来来完成简单的测试：例如，布置一系列的活性材料，其中每个活性材料均具有垂直于电活性层的表面施加的一系列的力(或对电活性层的表面具有法向分量的一系列的力)以在没有电池循环(用于在电池循环期间的所选择组合的预测)或在电池循环的情况下，利用与选择相关的结果的观察来确定在表面上的力的形态影响。
垂直于电极或电化学电池的表面的各向异性力的分量可以将压力限定为例如2牛顿每平方厘米至200牛顿每平方厘米(例如2牛顿每平方厘米至100牛顿每平方厘米、10牛顿每平方厘米至100牛顿每平方厘米、20牛顿每平方厘米至150牛顿每平方厘米、49牛顿每平方厘米至117.6牛顿每平方厘米、68.6牛顿每平方厘米至98牛顿每平方厘米、50牛顿每平方厘米至150牛顿每平方厘米或每50牛顿平方厘米至100牛顿每平方厘米)。在一些实施方案中，垂直于电极或电化学电池的表面的各向异性力的分量可以例如将压力限定为如下：至少4.9牛顿每平方厘米、至少5牛顿每平方厘米、至少9.8牛顿每平方厘米、至少10牛顿每平方厘米、至少14.7牛顿每平方厘米、至少15牛顿每平方厘米、至少19.6牛顿每平方厘米、至少20牛顿每平方厘米、至少24.5牛顿每平方厘米、至少25牛顿每平方厘米、至少29.4牛顿每平方厘米、至少30牛顿每平方厘米、至少34.3牛顿每平方厘米、至少39牛顿每平方厘米、至少40牛顿每平方厘米、至少45牛顿每平方厘米、至少49牛顿每平方厘米、至少50牛顿每平方厘米、至少60牛顿每平方厘米、至少70牛顿每平方厘米、至少75牛顿每平方厘米、至少78牛顿每平方厘米、至少85牛顿每平方厘米、至少98牛顿每平方厘米、至少100牛顿每平方厘米、至少105牛顿每平 方厘米、至少110牛顿每平方厘米、至少115牛顿每平方厘米、至少117.6牛顿每平方厘米、至少120牛顿每平方厘米、至少125牛顿每平方厘米、至少130牛顿每平方厘米、至少135牛顿每平方厘米、至少140牛顿每平方厘米、至少145牛顿每平方厘米、或至少147牛顿每平方厘米、至少150牛顿每平方厘米、至少155牛顿每平方厘米、至少160牛顿每平方厘米、至少170牛顿每平方厘米、至少180牛顿每平方厘米、至少190牛顿每平方厘米、或至少200牛顿每平方厘米。在一些实施方案中，垂直于电极或电化学电池的表面的各向异性力的分量可以例如将压力限定为如下：小于200牛顿每平方厘米、小于196牛顿每平方厘米、小于180牛顿每平方厘米、小于170牛顿每平方厘米、小于160牛顿每平方厘米、小于150牛顿每平方厘米、小于147牛顿每平方厘米、小于140牛顿每平方厘米、小于130牛顿每平方厘米、小于120牛顿每平方厘米、小于117.6牛顿每平方厘米、小于100牛顿每平方厘米、小于98牛顿每平方厘米、小于90牛顿每平方厘米、小于80牛顿每平方厘米、小于70牛顿每平方厘米、小于60牛顿每平方厘米、小于50牛顿每平方厘米、小于49牛顿每平方厘米、小于25牛顿每平方厘米、小于24.5牛顿每平方厘米、小于10牛顿每平方厘米、或小于9.8牛顿每平方厘米。也可以为其他范围以及上面提到的范围的组合(例如至少50牛顿每平方厘米并且小于100牛顿每平方厘米的压力)。
在一些实施方案中，垂直于电极或电化学电池的表面的各向异性力的分量可以将压力限定为阳极活性材料(例如锂)的屈服强度的如下倍数：至少0.5倍、至少0.7倍、至少1.0倍、1.25倍、至少1.5倍、至少1.75倍、至少2.0倍、至少2.5倍或至少3.0倍。可以容易地算出这样的大小，这是因为屈服强度是材料的固有属性。
虽然本文通常分别以牛顿和牛顿每单位面积的单位来描述力和压力，但是也可以分别以千克力和千克力每单位面积的单位来表示力和压力。本领域的技术人员或普通技术人员将熟悉基于千克力的单位，并且应该理解，1千克力相当于约9.8牛顿。
在一些情况下，施加至电池的一个或更多个力可以具有不垂直于电极或电化学电池的表面的分量。例如，在图1中，力60不垂直于电极的表面。在一组实施方案中，所有施加的各向异性力沿着垂直于电极或电化学电池的表面的方向的分量的总和大于沿着不垂直于电极或电化学电池的表面的方向的分量的总和。在一些实施方案中，所有施加的各向异性力的 沿着垂直于电极或电化学电池的表面的方向的分量的总和比沿着平行于电极或电化学电池的表面的方向的分量的任何总和大至少5％、至少10％、至少20％、至少35％、至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、至少99％、或至少99.9％。
在一些实施方案中，阴极和阳极具有屈服应力，其中阴极和阳极中的一个的有效屈服应力大于其他的屈服应力，使得垂直于阳极的活性表面和阴极的活性表面之一的表面所施加的各向异性力导致阳极和阴极之一的表面形态受到影响。在一些实施方案中，垂直于阳极活性表面(或不包括电活性材料的阳极的表面)的各向异性力的分量为阳极活性材料的屈服应力的20％至200％，为阳极活性材料的屈服应力的50％至120％，或为阳极活性材料的屈服应力的80％至100％。
可以使用本领域中已知的任何方法来施加本文所描述的各向异性力。在一些实施方案中，可以使用压缩弹簧来施加力。例如，参见图2，电池可以位于可选的密闭容器结构156中以产生具有沿着箭头62的方向的分量的力，密闭容器结构156具有位于容器结构的表面154和相邻壁之间的一个或更多个压缩弹簧。在一些实施方案中，可以通过使一个或更多个压缩弹簧位于容器结构的外部以使得弹簧位于容器结构的外表面158和另一表面之间(例如桌面、另一容器结构的内表面、相邻电池等)来施加力。可以使用其他元件(无论在容器结构的内部或外部)来施加力，所述其他元件包括但不限于贝氏弹簧垫圈(Bellevillewasher)、机械螺钉、气动装置／液压装置和/或重量装置等。例如，在一组实施方案中，一个或更多个电池(例如电池堆叠体)被布置在两块板(例如金属板)之间。可以使用装置(例如机械螺钉、弹簧等)经由板对电池或堆叠体的端部施加压力。在机器螺钉的情况下，例如，可以根据旋转螺钉将电池压缩在板之间。作为另一个实例，在一些实施方案中，可以在电池的表面(或围绕电池的容器结构)和固定表面(例如桌面、另一容器结构的内表面、相邻电池等)之间设置一个或更多个楔子。可以通过如下方法施加各向异性力：通过在楔子上施加力(例如通过旋转机械螺钉)来驱动电池和相邻固定表面之间的楔子。
在一些情况下，在电池插入容器结构之前，可以将电池预压缩，并且当将电池插入容器结构时，电池就可以膨胀以在电池上产生净力。例如，如果电池能够承受相对较高的压力变化，那么这样的布置可以是有利的。在这样的实施方案中，容器结构可以包括相对较高的强度(例如至少100 MPa、至少200MPa、至少500MPa、至少为1GPa)。此外，容器结构可以包括相对较高的弹性模量(例如至少10GPa、至少25GPa、至少50GPa、或者至少100GPa)。容器结构可以包括例如铝、钛、或任意其他适当的材料。
在一些情况下，可以将本文所述的任何力施加至在堆叠体中的多个电极或电化学电池(例如制品)。如本文所用的，制品的“堆叠体”用来指的是其中以基本上制品重复模式布置的多个制品的构造，例如，放置在彼此之上。在一些情况下，制品可以被放置为使得在堆叠体中的每个制品的至少一个表面基本上平行于堆叠体中每个另一制品的至少一个表面，例如制品(例如阳极)的一个特定组件的表面基本上平行于其他制品的相同组件的相同表面。在一些实施方案中，制品可以彼此直接接触，而在一些情况下，在堆叠体中的制品之间可以放置有一个或更多个间隔物。堆叠体可以包括任意适当数目的制品(例如2个和1,000个制品)。在一些情况下，堆叠体包括至少2个、至少3个、至少5个、至少10个、至少25个、至少100个制品或更多。
在一些实施方案中，收缩元件可以围绕制品或制品的堆叠体的至少一部分。在一些情况下，收缩元件可以被构造和布置成以施加相对于在制品或制品的堆叠体内的至少一个表面具有法向分量的各向异性力，所述法向分量限定具有本文所描述的大小的压力。
在一些实施方案中，收缩元件可以包括带状物(例如弹性带、螺旋带等)。在一些实施方案中，可以通过例如粘合剂、钉子、夹具、螺旋扣或任意其他适当的方法将带状物固定至制品或堆叠体。在一些情况下，带状物包括螺旋带(例如Kevlar螺旋带)，通过紧固带和加固螺旋扣来施加力。在一些情况下，带状物为连续的弹性带。在一些情况下，在弹性带被拉伸并放置在制品周围之后，可以经由带状物的弹性收缩来施加力。作为具体的实例，可以通过如下方法来设置带状物：在低于相变温度下将带材料冷却并且将带塑性变形(例如经由拉伸)以完全适合制品或制品的堆叠体。可以通过如下方法施加力：当返回到操作温度时，然后带状物就可以收缩到其先前形成的形状。
收缩元件可以包括具有产生所期望的力所需要的弹性量的任何适当的材料。可以使弹性材料的实心带尺寸化使得其提供在施加到制品的外表面时所需的外部压力。在一些情况下，收缩元件可以包括聚合物材料。收缩元件可包括例如392(由德国Bayer MaterialScience， Leverkusen制造的聚酯型聚氨酯)、(由The LubrizolCorporation，Wickliffe，Ohio制造的工程化聚合物)、(由DuPont，Wilmington，Delaware制造的合成纤维)等。在一些实施方案中，收缩元件可以包括形状记忆合金(例如镍钛合金(NiTi))，其可以根据材料暴露的温度变化而膨胀和收缩。在一些情况下，收缩元件可以包括如收缩包覆管，例如聚酯膜和/或织物。
在一些实施方案中，用于将力施加至制品或制品的堆叠体的元件(例如收缩元件、膨胀元件等)的质量密度是相对较低的。通过使用具有相对低的质量密度的元件，制品或制品的堆叠体的能量密度和特定能量可以保持相对较高。在一些实施方案中，用于向制品或制品的堆叠体施加力的元件的质量密度为小于10g／cm3、小于5g／cm3、小于3g／cm3、小于1g／cm3、小于0.5g／cm3、小于0.1g／cm3、0.1g／cm3至10g／cm3、0.1g／cm3至5g／cm3、或0.1g／cm3至3g／cm3。
在一些实施方案中，压力分布组件可以被包括在制品和另一制品之间或制品和收缩元件之间。这样的压力分布组件可以使得均匀的力被施加在整个制品或制品的堆叠体。压力分布组件的实例包括端盖和间隔物。于2009年8月4日提交的被公布为美国公开号2010／0035128的题为“Application of Force In Electrochemical Cells”的美国专利申请系列第12／535,328号中详细描述了涉及将力施加至制品或制品的堆叠体的上述组件和其他组件。
压力分布组件和收缩元件不限于扁平电池的几何形状，在一些情况下，压力分布组件和收缩元件可被用于将力施加至圆柱状的制品(例如电化学电池)、棱柱状的制品(例如三角形棱柱体、矩形棱柱体等)、或其他形状的制品。例如，在一些实施方案中，相同的或不同的卷绕材料的一个或更多个包裹物可以被放置在制品的外表面。在一些实施方案中，卷绕材料包括相对较高的强度。卷绕材料还可以包括相对较高的弹性模量。在一些情况下，收缩包覆管例如聚酯膜和织物。在一些情况下，收缩元件包括弹性材料，所述弹性材料被适当调节尺寸以在弹性材料在制品的外表面上释放之后提供所需的外部压力。
在一些实施方案中，制品可以包括在制品的内部体积内的膨胀元件(例如胀缩心轴)使得膨胀元件可以从制品的内部体积向外辐射地施加力。在一些实施方案中，膨胀元件和收缩元件可以被构造和布置为使得在制品的界限内的力偏离在制品的界限内的中间力的小于30％、小于20％、 小于10％、或小于5％。在一些实施方案中，可以通过如下方法实现这样的力的分布：例如，对收缩和膨胀元件进行选择使得每单位面积的基本相等的内部和外部的力施加至制品。
在一些实施方案中，不是施加内部压力，而是外部压力的施加可以与完美的绕组机械组合以实现在可以接受的范围之内的径向压力分布。例如，合适的表面夹(nip)绕组(例如使用轧辊)可以产生径向压力分布，所述压力分布从在内径处的107.9牛顿／cm2至在外直径处的0牛顿／cm2变化。收缩元件可以被构造和布置以产生在内径处的0牛顿／cm2的力和在外径处的78.5牛顿／cm2的力。这两个分布的叠加可以导致具有±19.6牛顿／cm2变化的98牛顿／cm2的平均压力施加。
在一些实施方案中，压力分布元件(例如端盖、间隔物等)和用于将力施加到电池或电池的堆叠体的元件(例如带状物、心轴等)的总体积可以相对低。通过采用低体积，组件的能量密度可以保持相对较高。在一些情况下，压力分布元件和用于将力施加到制品或制品的堆叠体的元件的体积的总和占制品或制品的堆叠体的体积的百分比为小于10％、小于5％、小于2％、小于1％、小于0.5％、小于0.1％、0.1％至10％、0.1％至5％、0.1％至2％或0.1％至1％。
在一些情况下，在充电和放电期间，或在制品的形成期间(例如制品内的层)，本文所述的制品可以改变尺寸(例如鼓胀)。当选择施加各向异性力的方法时，在一些实施方案中，选择在充电和放电期间或形成期间，在制品改变形状和／或尺寸时能产生相对较恒定的力的方法是所期望的。在一些情况下，该选择可以类似于选择具有较低有效弹簧常数的系统(例如“软”弹簧)。例如，当使用压缩弹簧施加各向异性力时，相比于通过具有相对较高弹簧常数的弹簧所产生的力，具有相对较低弹簧常数的弹簧在充电／放电期间产生的各向异性力更恒定。在使用弹性带的情况下，相比于通过具有相对较低弹性的带状物所产生的力，具有相对较高弹性的带状物在充电／放电期间产生的各向异性力更恒定。在使用机械螺钉来施加力的一些实施方案中，使用软螺钉(例如黄铜、聚合物等)可以是有利的。在一些应用中，例如，机械螺钉可以被选择为覆盖压缩的所期望的范围，但螺钉本身可以是软的。
在一些实施方案中，本文所描述的制品被放置在容器结构中，由于制品对于容器结构的膨胀，所以产生了具有相对于制品的表面的法向分量的各向异性力的至少一部分。在一些情况下，容器结构为足够刚硬的使得在 制品的膨胀期间不会变形，从而导致施加在制品上的力。所以制品可以由于各种现象而鼓胀。例如，在一些情况下，制品可以经受热膨胀。在一些实施方案中，制品可以由于充电和/或放电而鼓胀。例如，在一些情况下，部分地或完全放电的电池可以被放置在容器结构中。当对放电的电池充电时，电池可以鼓胀。在其他实施方案中，膨胀可以由于制品内的层(例如电活性层)的形成而发生。在这些情况下的膨胀可以被容器结构的尺寸限制，导致各向异性力的施加。
在一些情况下，制品可以由于制品的多孔组件吸入液体而鼓胀。例如，在一些实施方案中，可以在容器结构中放置包括干式多孔层的制品。然后干式多孔层可以被浸泡(例如用液体电解质)。在一些情况下，电解质的属性(例如表面张力)和制品的属性(例如多孔腔的大小)可以被选择为使得当制品被电解质浸湿时能够生成所期望水平的毛细管压力。当被浸湿时，制品会鼓胀，由此生成各向异性力。在平衡状态下，通过容器结构施加在制品上的各向异性力将等于由毛细管压力产生的力。
本文所描述的容器结构可以包括多种形状，所述多种形状包括但不限于圆柱状、棱柱状(例如三角形棱柱状，矩形棱柱状等)、立方体或任何其他形状。在一些实施方案中，容器结构的形状被选择为使得容器结构的壁平行于制品的外表面。例如，在一些情况下，容器结构可以包括圆柱体，所述容器结构可以被用来例如包围并包含圆筒状的电解池。在其他情况下，容器结构可以包括包围类似形状的棱柱状电解池的棱柱体。
在一些实施方案中，本发明的方面涉及以下发现：相对于未施加力的基本相同的电极或电池中所使用的阳极活性材料(例如锂)和／或电解质的量，本文所描述的力的施加可以使得在电极或电化学电池中能够使用较少量的阳极活性材料(例如锂)和／或电解质。在缺少本文所描述的所施加力的电池中，在一些情况下，在电池的充电-放电循环期间，阳极活性材料(例如锂金属)可以被不均匀地再沉积在阳极上，形成粗糙表面(例如“苔藓”形态)。在一些情况下，这可以导致涉及阳极金属的一个或更多个所不期望反应的速率的增加。在大量充电-放电循环之后，这些所不期望的反应可以稳定和／或开始自我抑制使得基本上没有额外的阳极活性材料被损耗并且电池可以利用剩余的活性材料工作。对于缺少本文所述的所施加的力的电池，仅在大量的阳极活性材料已被消耗并且电池性能已劣化之后，才常常达到这种“稳定”。因此，在未施加本文所述的力的一些情况下，相对较大量的阳极活性材料和／或电解质常常被并入电池以适应 在活性材料消耗期间的损失来保护电池性能。
因此，本文所描述的力的施加可以减少和／或防止活性材料的损耗以使得可以不必需包括在电化学电池内的大量的阳极活性材料和／或电解质。力的施加可以例如抑制“苔藓”表面的发展。例如，可以在使用电池之前或在电池的寿命中的早期阶段(例如小于15次、10次或5次充电-放电循环)，将力施加至电池，使得可以在电池的充电或放电时发生活性材料的很少损耗或基本上无损耗。通过减少和／或消除对适应在电池的充电或放电期间的活性材料的损失的需要，可以使用相对较少量的阳极活性材料来制造如本文所描述的电极、电池和装置。在一些实施方案中，本发明涉及包括电化学电池的装置，所述电化学电池在其寿命中已被充电和放电小于15次、10次或5次，其中所述电池包括阳极、阴极和电解质，其中阳极包括不多于5倍的可以在电池的一个完全放电周期期间被电离的阳极活性材料的量。在一些情况下，阳极包括不多于4倍、3倍、2倍或1.5倍的可以在电池的一个完全放电周期期间被电离的锂的量。
在这里描述和说明的单独组件中或者在所有组件中可以使用各种材料和布置。将理解在结合一个实施方案或者一幅附图来描述特定组件或者布置时，可以结合任何其它实施方案或者附图来使用该组件或者布置。
以下文献的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的：于2001年5月23日提交的题为“Lithium Anodes for Electrochemical Cells”的美国专利第7,247,408号；于1996年3月19日提交的题为“Stabilized Anode for Lithium-Polymer Batteries”的美国专利第5,648,187号；于1997年7月7日提交的题为“Stabilized Anode for Lithium-Polymer Batteries”的美国专利第5,961,672号；于1997年5月21日提交的题为“NovelComposite Cathodes，Electrochemical Cells Comprising Novel Composite Cathodes，and Processes for Fabricating Same”的美国专利第5,919,587号；于2006年4月6日提交的公布为美国公开号2007-0221265的题为“Rechargeable Lithium／Water，Lithium／AirBatteries”的美国专利申请系列第11／400,781号；于2008年7月29日提交的公布为国际公开号WO／2009017726的题为“Swelling Inhibition in Lithium Batteries”的国际专利申请系列第PCT／US2008／009158号；于2009年5月26日提交的公布为美国公开号2010-0129699的题为“Separation of Electrolytes”的美国专利申请系列第12／312,764号；于2008年10月23日提交的公布为国际公开号WO／2009054987的题为“Primer for Battery Electrode”的国际专利申请系 列第PCT/US2008／012042号；于2008年2月8日提交的公布为美国公开号2009-0200986的题为“Protective Circuit for Energy-Storage Device”的美国专利申请系列第12／069,335号；于2006年4月6日提交的公布为美国公开号2007-0224502的题为“Electrode Protection in both Aqueous and Non-Aqueous Electrochemical Cells，including Rechargeable Lithium Batteries”的美国专利申请系列第11／400,025号；于2007年6月22日提交的公布为美国公开号2008／0318128的题为“Lithium Alloy／SulfurBatteries”的美国专利申请系列第11／821,576号；于2005年4月20日提交的公布为美国公开号2006-0238203的题为“Lithium Sulfur Rechargeable Battery Fuel Gauge Systemsand Methods”的专利申请系列第11／111,262号；于2007年3月23日提交的公布为美国公开号2008-0187663的题为“Co-Flash Evaporation of Polymerizable Monomers and Non-Polymerizable Carrier Solvent／Salt Mixtures／Solutions”的美国专利申请系列第11／728,197号；于2008年9月19日提交的公布为国际公开号WO／2009042071的题为“Electrolyte Additives for Lithium Batteries and Related Methods”的国际专利申请系列第PCT／US2008／010894号；于2009年1月8日提交的公布为国际公开号WO／2009／089018的题为“Porous Electrodes and Associated Methods”的国际专利申请系列第PCT／US2009／000090号；于2009年8月4日提交的公布为美国公开号2010／0035128的题为“Application of Force In Electrochemical Cells”的美国专利申请系列第12／535,328号；于2010年3月19日提交的题为“Cathode for Lithium Battery”的美国专利申请系列第12／727,862号；于2009年5月22日提交的题为“Hermetic Sample Holder and Method forPerforming Microanalysis Under Controlled Atmosphere Environment”的美国专利申请系列第12,471,095号；于2010年8月24日提交的题为“Release System forElectrochemical cells”的美国专利申请系列第12／862,513号(其要求于2009年8月24日提交的题为“Release System for Electrochemical cells”的临时专利申请系列第61／236,322号的优先权)；于2010年8月24日提交的题为“Electrically Non-ConductiveMaterials for Electrochemical Cells”的美国临时专利申请系列第61／376,554号；于2010年8月24日提交的题为“Electrochemical Cell”的美国临时专利申请序系列第12／862,528号；于2010年8月24日提交的公布为美国公开号2011／0070494的题为“Electrochemical Cells Comprising Porous Structures Comprising Sulfur”的美国专利申请系列第12／862,563号[S1583.70029US00]；于2010 年8月24日提交的公布为美国公开号2011／0070491的题为“Electrochemical Cells Comprising Porous StructuresComprising Sulfur”的美国专利申请系列第12／862,551号[S1583.70030US00]；于2010年8月24日提交的公布为美国公开号2011／0059361的题为“Electrochemical CellsComprising Porous Structures Comprising Sulfur”的美国专利申请系列第12／862,576号[S1583.70031US00]；于2010年8月24日提交的公布为美国公开号2011／0076560的题为“Electrochemical Cells Comprising Porous Structures Comprising Sulfur”的美国专利申请系列第12／862,581号[S1583.70024US01]；于2010年9月22日提交的题为“LowElectrolyte Electrochemical Cells”的公布为美国公开号2012／0070746的美国专利申请系列第61／385,343号[S1583.70033US00]；以及于2011年2月23日提交的题为“PorousStructures for Energy Storage Devices”的公布为美国公开号2011／0206992的美国专利申请系列第13／033,419号[S1583.70034US00]。本文所公开的所有其他专利和专利申请的全部内容也通过引用并入本文。
尽管这里已经描述和图示了本发明的几个实施例，但是本领域技术人员将容易预见用于执行这里描述的功能和／或获得这里描述的结构和／或这里描述的一个或者多个优点的各种其它手段和／或结构，并且每个这样的变化和／或修改都视为在本发明的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易认识到这里描述的所有参数、尺度、材料和配置旨在于举例说明，并且实际参数、尺度、材料和／或配置将依赖于对本发明的教导进行运用的一个或者多个具体应用。本领域技术人员将认识或者能够确定仅使用常规实验即可获得与这里描述的本发明具体实施例等效的具体实施例。因此将理解仅作为例子呈现前述实施例，并且在所附权利要求及其等效的范围内可以用具体描述和要求保护的方式之外的方式实施本发明。本发明涉及这里描述的各单独特征、系统、产品、材料、工具包和／或方法。此外，两种或者更多这样的特征、系统、产品、材料、工具包和／或方法如果并非互不一致，则它们的组合包含于本发明的范围内。
如这里限定和使用的所有定义都应当理解为支配词典定义、在援引文献中的定义和/或被定义术语的普通含义。
除非有相反指明，不定冠词“一个/一种”如在说明书中和在权利要求书中使用的那样应当理解为意指“至少一个/一种”。
措词“和／或”如在说明书中和在权利要求书中使用的那样应当理解为 意指这样联合的元素中的“任一个或者两个”，即在一些情况下共同存在而在其它情况下分开存在的元素。用“和／或”列举的多个元素应当以相同方式来理解，即这样联合的元素中的“一个或者多个”。除了由措词“和／或”具体标识的元素之外的其它元素无论与具体标识的那些元素相关还是无关都可以可选地存在。因此，作为非限制性的例子，“A和/或B”这个引用在与开放式语言如“包括”结合使用时，可以在一个实施例中仅指代A(可选地包括除B之外的元素)，在另一实施例中仅指代B(可选地包括除A之外的元素)，在又一实施例中指代A和B(可选地包括其它元素)等等。
如在说明书中和在权利要求书中使用的那样，“或者”应当理解为具有与上文定义“和／或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或者”或者“和／或”应当理解理解为包括，即包括多个元素或者元素列表中的至少一个和多个元素，并且可选地包括附加的未列举元素。只有比如“......中的仅一个”或者“......中的恰好一个”或者在使用于权利要求书中时“由......构成”这样的有相反指明的用语将指代包括多个元素或者元素列表中的恰好一个元素。一般而言，如这里使用的用语“或者”在前文有排他性的用语如“任一个”、“......之一”、“......中的仅一个”或者“......中的恰好一个”时应当仅解释为表示排他性的选择(即“一个或者另一个但不是二者”)。“实质上由......构成”在使用于权利要求书中时应当具有如它在专利法领域中使用的普通含义。
如在说明书中和在权利要求书中使用的那样，短语“至少一个”在提及一个或者多个元素的列表时应当理解为意味着从元素列表中的任何一个或者多个元素中选择的至少一个元素，但是并非必然地包括在元素列表中具体列举的所有每个元素中的至少一个元素，也不排除元素列表中的元素的任何组合。这个定义也允许除了在短语“至少一个”所提及的元素列表内具体标识的元素之外的元素，无论与具体标识的那些元素相关还是无关，都可以可选地存在。因此，作为非限制性的例子，“A和B中的至少一个”(或者等效地“A或B中的至少一个”或者等效地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中指代至少一个可选地包括多个A而不包括B(并且可选地包括除B之外的元素)，在另一实施例中指代至少一个可选地包括多个B而不包括A(并且可选地包括除A之外的元素)，在又一实施例中指代至少一个可选地包括多个A以及至少一个可选地包括多个B(并且可选地包括其它元素)等等。
也应当理解，除非有相反指明，在这里要求保护的包括多个步骤或者动作的任何方法中，该方法的步骤或者动作的顺序并非必然地限于该方法的步骤或者动作的记载顺序。
在权利要求书中以及在以上说明书中，诸如“包括”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及到”、“保持”等所有过渡短语将理解为开放式，即意指包括但不限于。只有过渡短语“由......组成”和“实质上由......组成”才应当分别是封闭式或者半封闭式过渡短语，如在United States Patent Office Manual ofPatent Examining Procedures(美国专利局专利审查程序指南)第2111.03节中阐明的那样。

Claims (82)

1.一种在电化学电池中使用的制品，包括：
集流器；
保护结构，其中所述保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构，其中所述保护结构的层中的每个层为非电活性的并且对于碱金属离子是传导性的；
阴极；
电解质；以及
存在于所述阴极与所述电解质之间的锂金属层，并且
其中所述保护结构与所述集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与所述集流器隔开。
2.一种制品，包括：
集流器；
与所述集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与所述集流器隔开的保护结构，其中所述保护结构为非电活性的并且对于碱金属离子是传导性的；
阴极；
位于所述保护结构与所述阴极之间的电解质；以及
存在于所述阴极与所述电解质之间的锂金属层，
其中向所述制品施加具有相对于所述制品的表面的法向分量的各向异性力，所述分量限定了至少50牛顿/cm2的压力。
3.一种在电化学电池中使用的制品，包括：
集流器；
保护结构，其中所述保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构，其中所述保护结构中的每个层为非电活性的并且对于碱金属离子是传导性的；
阴极；
电解质；
存在于所述阴极与所述电解质之间的锂金属层；以及
位于所述集流器与所述保护结构之间的适合于嵌入碱金属离子的非电活性中间层。
4.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述中间层包括适合于嵌入碱金属离子的材料。
5.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述中间层包括含碳材料。
6.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品尚未被放电。
7.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品尚未被充电。
8.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品尚未被循环。
9.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品尚未被循环至大于2次。
10.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品不包含已经被循环的电极和/或化学电池所特有的化合物的副产物。
11.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品不包含已经被循环至大于2次的电极和/或化学电池所特有的化合物的副产物。
12.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述保护结构为包括不同材料组成的至少两层的多层结构。
13.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述保护结构与所述集流器直接相邻。
14.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品还包括基本上垂直于并接触所述保护结构中的每个层的侧集流器或竖直集流器。
15.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述保护结构经由总厚度小于1微米的一个或更多个中间层与所述集流器隔开。
16.如权利要求1或2所述的制品，其中所述一个或更多个中间层中的至少一个中间层的RMS表面粗糙度小于1微米。
17.如权利要求1或2所述的制品，其中在所述集流器与所述保护结构之间的所述一个或更多个中间层包含用作用于形成电活性层的籽层的锂金属。
18.如权利要求1或2所述的制品，其中所述制品还包括阴极，其中在所述集流器与所述保护结构之间的包含锂金属的所述一个或更多个中间层以不足以参与所述制品的完全放电的量存在。
19.如权利要求1至3中任一项所述的制品，还包括定位成在与所述集流器相反的一侧上与所述保护结构相邻的聚合物凝胶层。
20.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述阴极包括含锂过渡金属氧化物作为活性电极物质。
21.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述阴极包括含锂金属氧化物作为活性电极物质。
22.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述阴极包括含锂磷酸盐作为活性电极物质。
23.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述阴极包括硫作为活性电极物质。
24.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述阴极包括氧。
25.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述阴极包括水。
26.如权利要求1或3所述的制品，其中所述制品被构造并布置为用于向所述制品施加具有相对于所述制品的表面的法向分量的各向异性力。
27.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品被构造并布置为用于向所述制品施加具有相对于所述制品的表面的法向分量的各向异性力，并且其中所述各向异性力包括限定至少80牛顿/cm2的压力的分量。
28.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述制品被构造并布置为用于向所述制品施加具有相对于所述制品的表面的法向分量的各向异性力，并且其中所述各向异性力包括限定具有锂金属的屈服强度的0.5倍至2倍的数量的压力的分量。
29.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中所述保护结构包括至少两个单离子传导层和至少两个聚合物层，其中所述单离子传导层和所述聚合物层相对于彼此交替。
30.如权利要求1或3所述的制品，其中所述单离子传导层为非电子传导性的。
31.如权利要求1或3所述的制品，其中所述单离子传导层包括对锂离子是传导性的陶瓷。
32.如权利要求1或3所述的制品，其中所述单离子传导层包括氮化锂和/或氧化锂。
33.如权利要求1或3所述的制品，其中所述单离子传导层包括孔，所述孔的至少一部分填充有聚合物。
34.如权利要求33所述的制品，其中填充所述单离子传导层的孔的至少一部分的所述聚合物为定位成与所述单离子传导层相邻的聚合物层的形式。
35.如权利要求33所述的制品，其中所述聚合物包括丙烯酸酯。
36.如权利要求35所述的制品，其中所述丙烯酸酯选自：丙烯酸烷基酯、乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯。
37.如权利要求1至3中任一项所述的制品，还包括定位成在与所述集流器相反的一侧上与所述保护结构相邻的隔板。
38.如权利要求1或3所述的制品，其中所述电化学电池为锂离子电池。
39.如权利要求1或3所述的制品，其中所述单离子传导层包括位于氮化锂层之上的氧化锂层。
40.一种形成电极的方法，包括：
提供包括集流器、保护结构、阴极和电解质的制品，其中所述保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构，其中所述保护结构与所述集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与所述集流器隔开；
提供碱金属离子的源，其中所述碱金属离子的源为存在于所述阴极与所述电解质之间的锂金属层；
使所述碱金属离子从所述源传输穿过所述保护结构；以及
在所述集流器与所述保护结构之间形成包含碱金属的电活性层。
41.一种形成电极的方法，包括：
提供包括集流器、保护结构、阴极和电解质的制品，其中所述保护结构与所述集流器直接相邻或者经由总厚度小于2微米的一个或更多个中间层与所述集流器隔开；
提供碱金属离子的源，其中所述碱金属离子的源为存在于所述阴极与所述电解质之间的锂金属层；
使所述碱金属离子从所述源传输穿过所述保护结构；以及
在所述集流器与所述保护结构之间形成包含碱金属的电活性层，
其中向所述制品施加具有相对于所述制品的表面的法向分量的各向异性力，所述分量限定了至少50牛顿/cm2的压力。
42.一种形成电极的方法，包括：
提供包括集流器、保护结构、阴极、电解质以及位于所述集流器与所述保护结构之间的非电活性中间层的制品，其中所述保护结构为包括聚合物层和单离子传导层的多层结构；
提供碱金属离子的源，其中所述碱金属离子的源为存在于所述阴极与所述电解质之间的锂金属层；
使所述碱金属离子从所述源传输穿过所述保护结构；以及
形成位于所述集流器与所述保护结构之间的包含碱金属的电活性层，其中所述电活性层包括所述中间层的至少一部分。
43.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述中间层包括适合于嵌入碱金属离子的材料。
44.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述中间层包括含碳材料。
45.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品尚未被放电。
46.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中在使所述碱金属离子从所述源传输穿过所述保护结构之前，所述制品尚未被充电。
47.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中在使所述碱金属离子从所述源传输穿过所述保护结构之前，所述制品尚未被循环。
48.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品尚未被循环至大于2次。
49.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品不包含已经被循环的电极和/或化学电池所特有的化合物的副产物。
50.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品不包含已经被循环至大于2次的电极和/或化学电池所特有的化合物的副产物。
51.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述保护结构为包括不同材料组成的至少两层的多层结构。
52.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述保护结构与所述集流器直接相邻。
53.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品还包括基本上垂直于并接触所述保护结构中的每个层的侧集流器或竖直集流器。
54.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述保护结构经由总厚度小于1微米的一个或更多个中间层与所述集流器隔开。
55.如权利要求40或41所述的方法，其中所述一个或更多个中间层中的至少一个中间层的RMS表面粗糙度小于1微米。
56.如权利要求40或41所述的方法，其中在所述集流器与所述保护结构之间的所述一个或更多个中间层包含用作用于形成电活性层的籽层的锂金属。
57.如权利要求40或41所述的方法，其中在使所述碱金属离子从所述源传输穿过所述保护结构之前，所述制品所包括的在所述集流器与所述保护结构之间的包含锂金属的所述一个或更多个中间层以不足以参与所述制品的完全放电的量存在。
58.如权利要求40至42中任一项所述的方法，还包括定位成在与所述集流器相反的一侧上与所述保护结构相邻的聚合物凝胶层。
59.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述阴极包括含锂过渡金属氧化物作为活性电极物质。
60.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述阴极包括含锂金属氧化物作为活性电极物质。
61.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述阴极包括含锂磷酸盐作为活性电极物质。
62.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述阴极包括硫作为活性电极物质。
63.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述阴极包括氧。
64.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述阴极包括水。
65.如权利要求40或42所述的方法，其中所述制品被构造并布置为用于向所述制品施加具有相对于所述制品的表面的法向分量的各向异性力。
66.如权利要求65所述的方法，其中所述各向异性力包括限定至少80牛顿/cm2的压力的分量。
67.如权利要求65所述的方法，其中所述各向异性力包括限定具有锂金属的屈服强度的0.5倍至2倍的数量的压力的分量。
68.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述保护结构包括至少两个单离子传导层和至少两个聚合物层，其中所述单离子传导层和所述聚合物层相对于彼此交替。
69.如权利要求40或42所述的方法，其中所述单离子传导层为非电子传导性的。
70.如权利要求40或42所述的方法，其中所述单离子传导层包括对锂离子是传导性的陶瓷。
71.如权利要求40或42所述的方法，其中所述单离子传导层包括氮化锂和/或氧化锂。
72.如权利要求40或42所述的方法，其中所述单离子传导层包括孔，所述孔的至少一部分填充有聚合物。
73.如权利要求72所述的方法，其中填充所述单离子传导层的孔的至少一部分的所述聚合物为定位成与所述单离子传导层相邻的聚合物层的形式。
74.如权利要求72所述的方法，其中所述聚合物包括丙烯酸酯。
75.如权利要求74所述的方法，其中所述丙烯酸酯选自：丙烯酸烷基酯、乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯。
76.如权利要求40至42中任一项所述的方法，还包括定位成在与所述集流器相反的一侧上与所述保护结构相邻的隔板。
77.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品还包括位于所述保护结构与所述碱金属离子的源之间的聚合物凝胶层，所述方法还包括使所述碱金属离子传输穿过所述聚合物凝胶层。
78.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述传输步骤包括以4C至C/10的倍率给所述制品充电。
79.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述电极为锂金属阳极。
80.如权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述制品在所述传输步骤之前尚未被充电。
81.如权利要求40或42所述的方法，其中所述电化学电池为锂离子电池。
82.如权利要求40或42所述的方法，其中所述单离子传导层包括位于氮化锂层之上的氧化锂层。
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