用于锂离子电池组的铝阳极集流器的制作方法

用于锂离子电池组的铝阳极集流器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年3月9日提交的美国临时申请第62/987,103号和于2020年10月29日提交的美国临时申请第63/107,289号的权益和优先权，所述申请都通过引用方式以其整体并入本文。
技术领域
3.本公开涉及用于电化学电池的集流器，并且更具体地涉及用于电化学电池的电极中的铝集流器。


背景技术：

4.在传统的锂离子电池组中，用铜作为阳极集流器，并且用铝作为阴极集流器。一般不能用铝作为锂离子电池组中阳极侧的集流器，因为在阳极电位下锂会将铝反应性合金化。如果需用铝作为锂离子电池组中的阳极集流器，则需要取得进展。


技术实现要素：

5.术语实施方案和类似术语旨在广义地指代本公开和所附权利要求的所有主题。包括这些术语的陈述不应被理解为限制本文描述的主题，或限制所附权利要求的含义或范围。由本文覆盖的本公开的实施方案由所附权利要求而非本发明内容限定。本发明内容是本公开的各方面的高度概述，并介绍了一些概念，这些概念在下面的具体实施方式部分中进一步描述。本发明内容并不意图确认所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不意图用来孤立地确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书、任何或所有附图以及每项权利要求的适当部分来理解本主题。
6.本文描述了基于铝合金的基板，其可用于诸如电子基板、电池组电极、电池组集流器、电容器电极、电容器集流器等的应用。在一些实例中，基板包括铝合金层；以及与铝合金层接触的传导保护层。
7.传导保护层可以允许电子从传导保护层外部传输到铝合金层，并且可以另外起到保护下面的铝合金层，使其免受腐蚀性条件、破坏性条件的影响；免于变得无传导性；或免于与可能会腐蚀铝合金层、破坏铝合金层、使铝合金层变得无传导性的材料接触的作用。在一些实例中，传导保护层可具有从105s/m至108s/m的电导率或从10-8
ω
·
m至10-6
ω
·
m的电阻率。例如，传导保护层可以阻止锂原子或锂离子传输到铝合金层。传导层可以没有或基本上没有允许锂原子或锂离子传输到铝合金层的疵点(imperfection)。例如，传导保护层可以没有或基本上没有在传导保护层的面向铝合金层的表面和传导保护层的对置表面之间延伸的疵点。传导保护层可以包括在铝合金层上的包覆层，或者铝合金层可以包括在传导保护层上的包覆层。根据配置，传导保护层可以包覆全部或仅部分铝合金层。在一些情况下，例如，传导保护层可以包括在全部或部分铝合金层之上的完整包封层。在其他情况下，传导保护层可以覆盖部分铝合金层，并且铝合金层可以从传导保护层延伸或延伸到传导保
护层之外，诸如以与外部电路接触。
8.尽管传导保护层可以具有电传导性，但并非所有电传导性材料都可用作传导保护层。例如，铝的传导保护层可能无法为下面的铝合金层提供足够的保护。在一些实例中，传导保护层包括不与锂形成合金的材料。换句话说，在一些实施方案中，传导保护层不包括与锂形成合金的材料。例如，在各种实施方案中，传导保护层不包括铝、锌、镁、硅、锗、锡、铟、锑或碳。任选地，传导保护层包括在从0v至5v(相对于li/li
+
)的电位下，诸如在从0v至1v、从1v至2v、从2v至3v、从3v至3.2v、从3.2v至4v或从4v至5v(全部相对于li/li
+
)的电位下不与锂反应的材料。在一些实例中，传导保护层包括钛、铬、铁、镍、钼、钨、铜或氮化钛中的一种或多种。
9.尽管不限于此，但是传导保护层可以具有70重量％或更高的纯度，诸如71重量％或更高、72重量％或更高、73重量％或更高、74重量％或更高、74重量％或更高、75重量％或更高、76重量％或更高、77重量％或更高、78重量％或更高、79重量％或更高、80重量％或更高、81重量％或更高、82重量％或更高、83重量％或更高、84重量％或更高、85重量％或更高、86重量％或更高、87重量％或更高、88重量％或更高、89重量％或更高、90重量％或更高、91重量％或更高、92重量％或更高、93重量％或更高、94重量％或更高、95重量％或更高、96重量％或更高、97重量％或更高、98重量％或更高、99重量％或更高、99.9重量％或更高、或99.99重量％或更高的纯度。传导保护层可以包括这样的金属层，其具有30重量％或更低、25重量％或更低、20重量％或更低、15重量％或更低、10重量％或更低、9重量％或更低、8重量％或更低、7重量％或更低、6重量％或更低、5重量％或更低、4重量％或更低、3重量％或更低、2重量％或更低、1重量％或更低、0.1重量％或更低、或0.01重量％或更低的杂质含量。在一些配置中，可能期望限制传导保护层中氧的量。示例性传导保护层可以包括30重量％或更低、25重量％或更低、20重量％或更低、15重量％或更低、10重量％或更低、9重量％或更低、8重量％或更低、7重量％或更低、6重量％或更低、5重量％或更低、4重量％或更低、3重量％或更低、2重量％或更低、1重量％或更低、0.1重量％或更低、或0.01重量％或更低的氧含量。
10.传导保护层可以任选地包括复合结构，诸如其中所述传导保护层由两种或更多种被定位成彼此接触的不同材料构成。在一些实例中，传导保护层可以包括多个子层，其中每个子层可以不同于其他层。此类传导保护层的子层中的每一个子层均可以独立地具有与其他子层不同的纯度。任选地，所述复合结构至少包括第一子层和第二子层，并且其中所述第一子层和所述第二子层包含相同的材料或不同的材料。任选地，每个子层独立地具有70重量％或更高、75重量％或更高、或80重量％或更高的纯度。
11.任选地，铝合金层可以使用任何合适的技术在传导保护层上生成。铝合金层的实例包括但不限于物理沉积层、溅射沉积层、蒸发沉积沉积层、化学沉积层、电沉积沉积层、电镀层、化学气相沉积层或原子层沉积层。任选地，所述铝合金层包括晶体结构或多晶结构。任选地，所述铝合金层包括在包括金属或金属合金箔的传导保护层上的沉积包覆层。
12.任选地，所述传导保护层可以使用任何合适的技术在铝合金层上生成。传导保护层的实例包括但不限于物理沉积层、溅射沉积层、蒸发沉积沉积层、化学沉积层、电沉积沉积层、电镀层、化学气相沉积层或原子层沉积层。任选地，所述传导保护层包括晶体结构或多晶结构。任选地，所述传导保护层包括在包括铝合金箔的铝合金层上的沉积包覆层。
13.传导保护层或其一个或多个子层可以具有任何合适的厚度以提供合适的传导性和保护。例如，传导保护层或其一个或多个子层可具有从约10nm至约100μm的厚度，诸如从10nm至50nm、从10nm至100nm、从10nm至1μm、从10nm至5μm、从10nm至10μm、从10nm至50μm、从10nm至100μm、从50nm至100nm、从50nm至500nm、从50nm至1μm、从50nm至5μm、从50nm至10μm、从50nm至50μm、从50nm至100μm、从100nm至500nm、从100nm至1μm、从100nm至5μm、从100nm至10μm、从100nm至50μm、从100nm至100μm、从500nm至1μm、从500nm至5μm、从500nm至10μm、从500nm至50μm、从500nm至100μm、从1μm至5μm、从1μm至10μm、从1μm至50μm、从1μm至100μm、从5μm至10μm、从5μm至50μm、从5μm至100μm、从10μm至50μm、从10μm至100μm或从50μm至100μm的厚度。任选地，传导保护层可以具有从约1μm至约500μm的厚度，诸如从1μm至2μm、从1μm至5μm、从1μm至10μm、从1μm至20μm、从1μm至50μm、从1μm至100μm、从1μm至200μm、从1μm至500μm、从2μm至5μm、从2μm至10μm、从2μm至20μm、从2μm至50μm、从2μm至100μm、从2μm至200μm、从2μm至500μm、从5μm至10μm、从5μm至20μm、从5μm至50μm、从5μm至100μm、从5μm至200μm、从5μm至500μm、从10μm至20μm、从10μm至50μm、从10μm至100μm、从10μm至200μm、从10μm至500μm、从20μm至50μm、从20μm至100μm、从20μm至200μm、从20μm至500μm、从50μm至100μm、从50μm至200μm、从50μm至500μm、从100μm至200μm、从100μm至500μm或从200μm至500μm的厚度。
14.铝合金可用作本文提供的基板的组分。在一些情况下，铝合金可能是有利的，因为此类材料可以表现出良好的电子传导性、重量和其他材料特性(例如，强度、延展性等)。尽管有这些优点，但铝合金一般不被用作现有技术锂离子电池中的阳极集流器，因为铝在锂离子电池组中的阳极条件下会被腐蚀、合金化或以其他方式被损坏或破坏。
15.然而，在本公开中，可以使用铝合金。在一些实例中，铝合金层可以包括铝合金片材或铝合金箔。铝合金层可以具有任何合适的厚度或横向尺寸。在一些情况下，可以使用相对薄的产品(如铝合金片材或铝合金箔)，或者甚至与较厚的产品(如铝合金片材或铝合金板)相比是优选的，因为这些较厚的产品可能不会提供比片材或箔明显更好的电导率，但将占用更多的空间并有更多的重量。然而，在一些情况下，铝合金板或铝合金片材可以用于铝合金层。在一些实例中，铝合金层可以具有从约1μm至约500μm的厚度，诸如从1μm至2μm、从1μm至5μm、从1μm至10μm、从1μm至20μm、从1μm至50μm、从1μm至100μm、从1μm至200μm、从1μm至500μm、从2μm至5μm、从2μm至10μm、从2μm至20μm、从2μm至50μm、从2μm至100μm、从2μm至200μm、从2μm至500μm、从5μm至10μm、从5μm至20μm、从5μm至50μm、从5μm至100μm、从5μm至200μm、从5μm至500μm、从10μm至20μm、从10μm至50μm、从10μm至100μm、从10μm至200μm、从10μm至500μm、从20μm至50μm、从20μm至100μm、从20μm至200μm、从20μm至500μm、从50μm至100μm、从50μm至200μm、从50μm至500μm、从100μm至200μm、从100μm至500μm或从200μm至500μm的厚度。任选地，铝合金层可具有从约10nm至约100μm的厚度，诸如从10nm至50nm、从10nm至100nm、从10nm至1μm、从10nm至5μm、从10nm至10μm、从10nm至50μm、从10nm至100μm、从50nm至100nm、从50nm至500nm、从50nm至1μm、从50nm至5μm、从50nm至10μm、从50nm至50μm、从50nm至100μm、从100nm至500nm、从100nm至1μm、从100nm至5μm、从100nm至10μm、从100nm至50μm、从100nm至100μm、从500nm至1μm、从500nm至5μm、从500nm至10μm、从500nm至50μm、从500nm至100μm、从1μm至5μm、从1μm至10μm、从1μm至50μm、从1μm至100μm、从5μm至10μm、从5μm至50μm、从5μm至100μm、从10μm至50μm、从10μm至100μm或从50μm至100μm的厚度。
16.在一些情况下，传导保护层可以包括第一箔并且铝合金层可以包括第二箔，诸如
在第一箔和第二箔彼此粘结的情况下。
17.在实施方案中，基板可以包括或对应于电子基板。在实施方案中，基板可以包括或对应于集流器。在实施方案中，基板可以包括或对应于用于电化学电池、电容器或超级电容器的集流器。在实施方案中，基板可以包括或对应于用于锂离子电化学电池的集流器。在实施方案中，基板可以包括或对应于阳极集流器或阴极集流器。
18.本文还描述了装置，诸如包括基板，诸如本文所述的那些基板中的任何一个基板的装置。在一些实例中，装置包括：铝合金层，诸如对应于电极的集流器的铝合金层；与铝合金层接触的传导保护层；以及与传导保护层接触的电极活性材料。此类装置可以包括或对应于电化学电池电极。任选地，电极活性材料包括锂离子阴极活性材料或锂离子阳极活性材料。任选地，该装置可以包括或对应于电化学电池或电池组。
19.在一些实例中，铝合金层、传导保护层和电极活性材料包括或对应于第一电化学电池电极，并且该装置可以进一步包括第二电化学电池电极和被定位在第一电化学电池电极和第二电化学电池电极之间的电解质。以这种方式，该装置可以任选地对应于电化学电池。
20.任选地，该装置可以进一步包括与第一电化学电池电极或第二电化学电池电极直接或间接电连通并从第一电化学电池电极或第二电化学电池电极汲取或接收电流的电子装置电路。例如，该装置可以包括或对应于便携式电子装置。
21.在另一方面，本文描述了方法，诸如用于制造基板、集流器、电极或电化学电池的方法。这方面的示例方法包括提供铝合金层；以及使所述铝合金层与传导保护层接触或提供传导保护层；以及使所述传导保护层与铝合金层接触。接触可以包括使用物理沉积工艺、溅射沉积工艺、蒸发沉积工艺、化学沉积工艺、电沉积工艺、电镀工艺、化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺中的一种或多种工艺来沉积所述传导保护层或所述铝合金层。在一些情况下，接触可以包括多个单独的包覆工艺，诸如第一包覆工艺和第二包覆工艺，它们可以是相同的或不同的。在一个实例中，所述第一包覆工艺可以包括蒸发沉积工艺，并且所述第二包覆工艺可以包括溅射沉积工艺。在一个实例中，所述第一包覆工艺可以包括溅射沉积工艺，并且所述第二包覆工艺可以包括蒸发沉积工艺。此类技术可用于形成作为包括铝合金箔的铝合金层上的包覆层的传导保护层，或者形成作为包括金属或金属合金箔的传导保护层上的包覆层的铝合金层。在一个实例中，所述传导保护层包括第一箔，并且所述铝合金层包括第二箔，并且接触可以包括粘结所述第一箔和所述第二箔。
22.在一些实例中，所述传导保护层包括复合结构。在一些实例中，包覆所述铝合金层包括：在所述铝合金层上沉积第一子层；以及在所述第一子层上沉积第二子层。
23.通过这方面的方法制造的基板可以包括本文描述的任何基板。
24.其他目的和优点从以下非限制性实例的具体实施方式来看将变得显而易见。
附图说明
25.说明书参考了以下附图，其中在不同附图中使用相同的附图标记旨在示出相同或相似的部件。
26.图1a和图1b提供了包括铝合金层和传导保护层的示例基板的示意性截面图。
27.图2a和图2b提供了包括铝合金层和具有复合结构的传导保护层的示例基板的示
意性截面图。
28.图3提供示例电化学电池电极的示意性截面图。
29.图4a和图4b提供示例电化学电池的示意性截面图。
30.图5a、图5b和图5c提供使用不同材料作为充当工作电极的铝箔上的传导保护层的锂半电池的循环伏安图。
31.图6提供示出根据一些实例的与cu和裸al相比al上的fe保护层的行为的数据和照片。
32.图7提供根据一些实例的电化学测试之前和之后溅射fe膜的扫描电子显微镜图像。
33.图8示出根据一些实例的溢流电池配置、电池照片以及显示出电流与电荷密度演化的数据。
34.图9提供示出根据一些实例的在各种电化学电池中环氧树脂对电流密度演化的影响的数据和照片。
具体实施方式
35.本文描述了基板，其包括铝合金层，所述铝合金层与传导包覆层或保护覆盖层接触，所述传导包覆层或保护覆盖层可以阻止某些材料与铝合金层接触。基板可被用于例如电子应用，诸如供电池组、电化学电池、电容器、超级电容器等用的集流器或电极中。
36.在锂或锂离子电池组的情况下，铝通常被用作阴极侧的集流器。尽管铝的重量更轻、成本更低且传导性良好，但通常铜被用作阳极侧的集流器。一般而言，铜被用作阳极侧的集流器，因为铜一般在阳极电位下不反应并提供良好的传导性。另一方面，铝可能在阳极侧共同的电位下发生反应，导致铝被锂合金化，这会将此类铝阳极集流器降解或损坏至使具有铝阳极集流器的电池组无法工作的水平。在一些情况下，用作阴极集流器的铝可能会遭受一些腐蚀或降解，但通常量少，不会影响电池组的可操作性。
37.尽管存在这些困难，但铝仍可被用作电化学电池阴极侧以及阳极侧的集流器。铝集流器可通过在铝上提供阻止或阻挡铝与阳极活性材料处的锂接触或以其他方式阻止或限制铝层的腐蚀、降解或合金化的传导保护层来实现，这同时减轻了重量并实现了良好的整体稳定性和可循环性。
38.定义和描述：
39.如本文所用，术语“发明”、“该发明”、“此发明”和“本发明”旨在广泛地指代本专利申请和所附权利要求的所有主题。含有这些术语的陈述应被理解为并非限制本文描述的主题，或并非限制所附专利权利要求的含义或范围。
40.在本说明书中，可能提及了用aa编号和其他相关名称标识的合金，诸如“系列”或“1xxx”。为了解最常用于铝及其合金命名和识别的编号命名系统，参见“international alloy designations and chemical composition limits for wrought aluminum and wrought aluminum alloys”或“registration record of aluminum association alloy designations and chemical compositions limits for aluminum alloys in the form of castings and ingot”，二者均由the aluminum association发布。
41.如本文所用，板一般具有大于约15mm的厚度。例如，板可以是指厚度大于约15mm、
大于约20mm、大于约25mm、大于约30mm、大于约35mm、大于约40mm、大于约45mm、大于约50mm或大于约100mm的铝产品。
42.如本文所用，沙特板(shate)(也称为片材板)的厚度一般为约4mm至约15mm。例如，沙特板的厚度可以为约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm、约9mm、约10mm、约11mm、约12mm、约13mm、约14mm或约15mm。
43.如本文所用，片材一般是指厚度小于约4mm的铝合金产品。例如，片材的厚度可小于约4mm、小于约3mm、小于约2mm、小于约1mm、小于约0.5mm或小于约0.3mm(例如，约0.2mm)。术语片材还涵盖可被称为箔的铝合金产品，其可具有最多500μm的厚度，诸如从约1μm至约500μm的厚度。
44.如本文所用，诸如“铸造金属产品”、“铸造产品”、“铸造铝合金产品”等术语是可互换的，并且是指通过直接冷激铸造(包括直接冷激共铸造)或半连续铸造、连续铸造(包括例如通过使用双带式铸造机、双辊铸造机、块式铸造机或任何其他连续铸造机)、电磁铸造、热顶铸造或任何其他铸造方法生产的产品。
45.本文公开的所有范围应理解为涵盖其中包括的任何和所有子范围。例如，陈述的“1至10”范围应被视为包括最小值1与最大值10之间(并且包括1和10)的任何和所有子范围；即，所有子范围均以最小值1或更大开始(如1至6.1)，并且以最大值10或更小结束(如5.5至10)。除非另有说明，否则在提及元素的组成量时表述“至多”意指该元素是任选的并且包括该特定元素的零百分比组成。除非另有说明，所有组成百分比均以重量百分比(重量％)表示。
46.如本文所用，“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“该/所述(the)”的含义包括单数和复数指示物，除非上下文中另外明确指示。
47.生产铝合金产品的方法
48.本文所述的铝合金产品，诸如铝片材金属和铝箔，可以通过使用本领域技术人员已知的任何合适的铸造方法进行铸造来制备。作为一些非限制性实例，铸造工艺可以包括直接冷激铸造(dc)工艺或连续铸造(cc)工艺。连续铸造系统可以包括一对移动的对置铸造表面(例如，移动的对置带、辊或块)、在这对移动的对置铸造表面之间的铸造腔，和熔融金属注射器。熔融金属注射器可以具有端部开口，熔融金属可以从该端部开口离开熔融金属注射器并且被注入到铸造腔中。
49.铸锭、铸坯或其他铸造产品可以通过任何合适的方式进行加工。此类加工步骤包括但不限于均质化、热轧、冷轧、固溶热处理和任选的预时效步骤。
50.简而言之，在均质化步骤中，将铸造产品加热至约400℃至约550℃范围的温度。例如，可将铸造产品加热至约400℃、约410℃、约420℃、约430℃、约440℃、约450℃、约460℃、约470℃、约480℃、约490℃或约500℃的温度。然后将产品均热(即，保持在指定温度下)一段时间以形成均质化产品。在一些实例中，包括加热和均热阶段的均质化步骤的总时间可以为至多24小时。例如，可将产品加热到至多500℃并进行均热，使均质化步骤的总时间为至多18小时。
51.在均质化步骤之后，可以执行热轧步骤。在开始热轧之前，可以使经均质化的产品冷却至介于300℃至约450℃之间的温度。例如，可以使经均质化的产品冷却至介于325℃至425℃之间或从350℃至400℃的温度。然后可以将经均质化的产品在介于300℃至500℃之
间的温度下热轧，以形成规格介于3mm至200mm之间(例如，为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm、200mm或其间的任何值)的热轧板、热轧沙特板或热轧片材。
52.任选地，铸造产品可以是可被允许冷却至介于300℃至450℃之间的温度的连续铸造产品。例如，连续铸造产品可以被允许冷却至介于325℃至425℃之间或从350℃至400℃的温度。然后可以将连续铸造产品在介于300℃至500℃之间的温度下热轧，以形成规格为约3mm至约200mm(例如，为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm、200mm或其间的任何值)的热轧板、热轧沙特板或热轧片材。在热轧过程中，温度和其他操作参数可以被控制成使得热轧中间产品在离开热轧机时的温度不超过470℃、不超过450℃、不超过440℃或不超过430℃。
53.铸造、均质化或热轧产品可以使用冷轧机冷轧成更薄的产品，例如冷轧片材。冷轧产品可以具有介于约0.1mm至10mm之间，例如介于约0.7mm至6.5mm之间的规格。任选地，冷轧产品可以具有0.2mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm或10.0mm的规格。在箔的情况下，冷轧片材可具有从约1μm至500μm，诸如从10μm至100μm的规格。可以进行冷轧以产生代表规格与冷轧开始前的规格相比减少至多85％(例如，最多10％、最多20％、最多30％、最多40％、最多50％、最多60％、最多70％、最多80％或最多85％的减少)或更多的最终规格厚度。
54.在一些情况下，热处理工艺可以在冷轧工艺之后进行。例如，热处理工艺可包括将轧制产品加热至从约300℃至约450℃的温度。一旦轧制产品达到期望的热处理温度，就可以将轧制产品在目标温度下均热或保持达特定持续时间，诸如从约0.5小时至约6小时。此类热处理工艺可以不同于下面描述的固溶热处理工艺。
55.为制备箔，可以在冷轧过程中获得小规格，诸如约0.2mm，然后执行单独的箔轧过程，在该过程中冷轧产品可以被轧制到从约1μm至约300μm的规格(例如，0.001mm到0.30mm)。在一些实例中，可以使用箔轧工艺将箔轧制成1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、从10μm至50μm、从50μm至100μm、从100μm至150μm、从150μm至200μm、从200μm至250μm或从250μm至300μm的规格。
56.在一些实例中，铸造、均质化或轧制产品可以经受固溶热处理步骤。固溶热处理步骤可为对片材进行的任何合适的处理，其导致可溶颗粒的固溶化。可将铸造、均质化或轧制产品加热到至多590℃(例如，从400℃至590℃)的峰值金属温度(pmt)，并在pmt下均热一段时间以形成热产品(hot product)。例如，可将铸造、均质化或轧制产品在480℃下均热至多30分钟(例如，0秒、60秒、75秒、90秒、5分钟、10分钟、20分钟、25分钟或30分钟)的均热时间。在加热和均热后，将热产品以大于200℃/s的速率快速冷却到介于500℃和200℃之间的温度，以形成热处理产品。在一个实例中，热产品在介于450℃和200℃之间的温度下以高于200℃/秒的淬火速率被冷却。任选地，冷却速率在其他情况下可以更快。
57.淬火后，可任选地通过在冷却前再加热来对热处理产品进行预时效处理。预时效处理可以在约70℃至约125℃的温度下被执行最多6小时的时间段。例如，预时效处理可以
在约70℃、约75℃、约80℃、约85℃、约90℃、约95℃、约100℃、约105℃、约110℃、约115℃、约120℃或约125℃的温度下被执行。任选地，预时效处理可以被执行约30分钟、约1小时、约2小时、约3小时、约4小时、约5小时或约6小时。预时效处理可以通过使热处理产品通过加热装置来进行，所述加热装置是诸如发射辐射热、对流热、感应热、红外热等的装置。
58.使用公开的铝合金产品的方法
59.本文所述的铝合金产品可以被用于电子应用中。例如，本文所述的铝合金产品和方法可以被用于制备包括电池组、移动电话和平板电脑在内的电子装置的组件。在一些实例中，铝合金产品可以被用来制备用于电化学电池、电容器或电池组的集流器和电极，这些电化学电池、电容器或电池组可以用于移动电话、平板电脑等中。
60.金属合金
61.本文描述了处理铝合金的方法和所得经处理的铝合金。在一些实例中，用于本文描述的方法中的铝合金可以包括1xxx系列铝合金、2xxx系列铝合金、3xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、5xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金、7xxx系列铝合金和8xxx系列铝合金。
62.利用非限制性实例，示例性1xxx系列铝合金可以包括aa1100、aa1100a、aa1200、aa1200a、aa1300、aa1110、aa1120、aa1230、aa1230a、aa1235、aa1435、aa1145、aa1345、aa1445、aa1150、aa1350、aa1350a、aa1450、aa1370、aa1275、aa1185、aa1285、aa1385、aa1188、aa1190、aa1290、aa1193、aa1198或aa1199。
63.非限制性示例性2xxx系列铝合金可以包括aa2001、a2002、aa2004、aa2005、aa2006、aa2007、aa2007a、aa2007b、aa2008、aa2009、aa2010、aa2011、aa2011a、aa2111、aa2111a、aa2111b、aa2012、aa2013、aa2014、aa2014a、aa2214、aa2015、aa2016、aa2017、aa2017a、aa2117、aa2018、aa2218、aa2618、aa2618a、aa2219、aa2319、aa2419、aa2519、aa2021、aa2022、aa2023、aa2024、aa2024a、aa2124、aa2224、aa2224a、aa2324、aa2424、aa2524、aa2624、aa2724、aa2824、aa2025、aa2026、aa2027、aa2028、aa2028a、aa2028b、aa2028c、aa2029、aa2030、aa2031、aa2032、aa2034、aa2036、aa2037、aa2038、aa2039、aa2139、aa2040、aa2041、aa2044、aa2045、aa2050、aa2055、aa2056、aa2060、aa2065、aa2070、aa2076、aa2090、aa2091、aa2094、aa2095、aa2195、aa2295、aa2196、aa2296、aa2097、aa2197、aa2297、aa2397、aa2098、aa2198、aa2099或aa2199。
64.非限制性示例性3xxx系列铝合金可以包括aa3002、aa3102、aa3003、aa3103、aa3103a、aa3103b、aa3203、aa3403、aa3004、aa3004a、aa3104、aa3204、aa3304、aa3005、aa3005a、aa3105、aa3105a、aa3105b、aa3007、aa3107、aa3207、aa3207a、aa3307、aa3009、aa3010、aa3110、aa3011、aa3012、aa3012a、aa3013、aa3014、aa3015、aa3016、aa3017、aa3019、aa3020、aa3021、aa3025、aa3026、aa3030、aa3130或aa3065。
65.非限制性示例性4xxx系列铝合金可以包括aa4045、aa4004、aa4104、aa4006、aa4007、aa4008、aa4009、aa4010、aa4013、aa4014、aa4015、aa4015a、aa4115、aa4016、aa4017、aa4018、aa4019、aa4020、aa4021、aa4026、aa4032、aa4043、aa4043a、aa4143、aa4343、aa4643、aa4943、aa4044、aa4145、aa4145a、aa4046、aa4047、aa4047a或aa4147。
66.非限制性示例性5xxx系列铝合金可以包括aa5182、aa5183、aa5005、aa5005a、aa5205、aa5305、aa5505、aa5605、aa5006、aa5106、aa5010、aa5110、aa5110a、aa5210、aa5310、aa5016、aa5017、aa5018、aa5018a、aa5019、aa5019a、aa5119、aa5119a、aa5021、
aa5022、aa5023、aa5024、aa5026、aa5027、aa5028、aa5040、aa5140、aa5041、aa5042、aa5043、aa5049、aa5149、aa5249、aa5349、aa5449、aa5449a、aa5050、aa5050a、aa5050c、aa5150、aa5051、aa5051a、aa5151、aa5251、aa5251a、aa5351、aa5451、aa5052、aa5252、aa5352、aa5154、aa5154a、aa5154b、aa5154c、aa5254、aa5354、aa5454、aa5554、aa5654、aa5654a、aa5754、aa5854、aa5954、aa5056、aa5356、aa5356a、aa5456、aa5456a、aa5456b、aa5556、aa5556a、aa5556b、aa5556c、aa5257、aa5457、aa5557、aa5657、aa5058、aa5059、aa5070、aa5180、aa5180a、aa5082、aa5182、aa5083、aa5183、aa5183a、aa5283、aa5283a、aa5283b、aa5383、aa5483、aa5086、aa5186、aa5087、aa5187或aa5088。
67.非限制性示例性6xxx系列铝合金可以包括aa6101、aa6101a、aa6101b、aa6201、aa6201a、aa6401、aa6501、aa6002、aa6003、aa6103、aa6005、aa6005a、aa6005b、aa6005c、aa6105、aa6205、aa6305、aa6006、aa6106、aa6206、aa6306、aa6008、aa6009、aa6010、aa6110、aa6110a、aa6011、aa6111、aa6012、aa6012a、aa6013、aa6113、aa6014、aa6015、aa6016、aa6016a、aa6116、aa6018、aa6019、aa6020、aa6021、aa6022、aa6023、aa6024、aa6025、aa6026、aa6027、aa6028、aa6031、aa6032、aa6033、aa6040、aa6041、aa6042、aa6043、aa6151、aa6351、aa6351a、aa6451、aa6951、aa6053、aa6055、aa6056、aa6156、aa6060、aa6160、aa6260、aa6360、aa6460、aa6460b、aa6560、aa6660、aa6061、aa6061a、aa6261、aa6361、aa6162、aa6262、aa6262a、aa6063、aa6063a、aa6463、aa6463a、aa6763、a6963、aa6064、aa6064a、aa6065、aa6066、aa6068、aa6069、aa6070、aa6081、aa6181、aa6181a、aa6082、aa6082a、aa6182、aa6091或aa6092。
68.非限制性示例性7xxx系列铝合金可以包括aa7011、aa7019、aa7020、aa7021、aa7039、aa7072、aa7075、aa7085、aa7108、aa7108a、aa7015、aa7017、aa7018、aa7019a、aa7024、aa7025、aa7028、aa7030、aa7031、aa7033、aa7035、aa7035a、aa7046、aa7046a、aa7003、aa7004、aa7005、aa7009、aa7010、aa7011、aa7012、aa7014、aa7016、aa7116、aa7122、aa7023、aa7026、aa7029、aa7129、aa7229、aa7032、aa7033、aa7034、aa7036、aa7136、aa7037、aa7040、aa7140、aa7041、aa7049、aa7049a、aa7149、7204、aa7249、aa7349、aa7449、aa7050、aa7050a、aa7150、aa7250、aa7055、aa7155、aa7255、aa7056、aa7060、aa7064、aa7065、aa7068、aa7168、aa7175、aa7475、aa7076、aa7178、aa7278、aa7278a、aa7081、aa7181、aa7185、aa7090、aa7093、aa7095或aa7099。
69.非限制性示例性8xxx系列铝合金可以包括aa8005、aa8006、aa8007、aa8008、aa8010、aa8011、aa8011a、aa8111、aa8211、aa8112、aa8014、aa8015、aa8016、aa8017、aa8018、aa8019、aa8021、aa8021a、aa8021b、aa8022、aa8023、aa8024、aa8025、aa8026、aa8030、aa8130、aa8040、aa8050、aa8150、aa8076、aa8076a、aa8176、aa8077、aa8177、aa8079、aa8090、aa8091或aa8093。
70.基板
71.本文所述的铝合金产品，例如箔、片材或包覆层，可被用来制造基板(例如电子基板)，其可适用于作为集流器或结合此类集流器的装置，例如电极、电化学电池或电容器的应用中。在一些实例中，铝合金可以作为片材或箔提供，但在本文中在基板的背景下一般被称为层。为了用作基板，可以给铝合金层包覆传导层或者使铝合金层以其他方式与传导层接触，所述传导层在本文中也可以被称为保护层或传导保护层。铝合金可替代地作为传导
保护层上的包覆层提供，所述传导保护层可任选地包括金属或金属合金箔。在一些情况下，铝合金和传导保护层二者都可以包括箔。
72.传导层可用于阻止材料接触铝合金层，诸如在电化学电池或电容器的集流器应用中。在一些实例中，传导层可以起到阻挡或以其他方式阻止某些材料的传输，诸如以限制那些材料与下面的铝合金层接触的作用。在一些实例中，使铝合金层与锂原子和/或锂离子接触可能是有害的，这导致铝合金被锂腐蚀、铝合金与锂反应以及/或者铝合金与锂合金化。
73.一般不希望使用铝作为锂或锂离子电池组中阳极的集流器，因为在阳极电位下会发生腐蚀、反应和/或合金化。例如，锂对铝合金的腐蚀或合金化可能会导致形成非传导材料，其可能会阻碍或抑制铝合金的电传导性或者降低铝合金的电导率。然而，使用传导包覆层可以通过限制锂或锂离子对铝合金层的接触、腐蚀、反应和/或合金化来保护铝合金层，同时仍然允许铝层大量传输电流。
74.图1a提供以横截面示意性地示出的基板100的实例，该基板包括铝合金层105和包覆铝合金层105的传导层110。在基板100中，传导层110被示为仅与铝合金层105的一个表面或一侧接触，但可以使用其他配置，诸如其中传导层110与铝合金层105的不同边缘、表面或面接触的配置。
75.然而，若干方面可任选地用于传导保护层。作为一个实例，传导保护层应该具有电传导性。示例传导保护层可具有从105s/m至108s/m的电导率或从10-8
ω
·
m至10-6
ω
·
m的电阻率。此类电导率或电阻率可能足以允许电子通过传导保护层传导到铝合金层，在铝合金层可以发生大量传导。
76.作为另一个实例，传导保护层没有或基本上没有允许锂原子或锂离子传输到铝合金层，诸如从传导层的表面传输到具有铝合金层或面向铝合金层的界面处的内表面的疵点可能是有益的。如本文所用，短语“基本上没有”是指条件的绝对不存在并不存在，但这种不存在并不有害，也不会导致失败、降解或缺乏可用性的情况。例如，基本上没有疵点的传导包覆层可以包括一些疵点，但是所包括的疵点不抑制包覆层保护下面的铝合金层。示例疵点可包括但不限于空隙、通道、裂纹、生长缺陷、结节缺陷、槽或结晶学缺陷(如位错、堆垛层错或晶界)。在一些情况下，可以通过在包括疵点的第一子层上沉积第二传导子层来填充、覆盖或以其他方式密封或有效地去除疵点。
77.传导保护层包括高纯度层，诸如具有30重量％或更低、25重量％或更低、20重量％或更低、15重量％或更低、10重量％或更低、9重量％或更低、8重量％或更低、7重量％或更低、6重量％或更低、5重量％或更低、4重量％或更低、3重量％或更低、2重量％或更低、1重量％或更低、0.1重量％或更低、或0.01重量％或更低的杂质量的高纯度层可能也是有益的。
78.在一些情况下，当创建传导包覆层时，存在产生疵点的机会，并且这些疵点可以被最小化、限制或消除，以提供很少的导致锂污染进入下面的层铝合金层的路径或者或不提供导致锂污染进入下面的层铝合金层的路径。例如，在一些用于在铝合金层上沉积传导包覆层的技术中，沉积可能以垂直柱状晶体结构的形式发生，其中存在于柱状结构底部的疵点可以传播到沉积材料的显著深度/厚度。在制造过程中限制这些疵点可能是有用的。在一些情况下，可以形成多晶结构，这可以避免产生倾向于延伸到整个传导包覆层的疵点。用于创建传导保护层的一些示例技术包括但不限于物理沉积工艺、溅射沉积工艺、蒸发沉积工
艺、化学沉积工艺、电沉积工艺、电镀工艺、化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺。
79.在一些情况下，传导保护层中的疵点可以通过使用金属或金属合金箔作为传导保护层，然后给传导保护层包覆铝合金包覆层或将传导保护层粘结到铝合金箔上来减少或显著消除。
80.基板诸如基板100可以通过仅在铝合金层105的一侧上沉积传导层110来创建。传导层可以具有任何合适的厚度。示例厚度可以为从约10nm至约100μm，诸如从10nm至50nm、从10nm至100nm、从10nm至500nm、从10nm至1μm、从10nm至5μm、从10nm至10μm、从10nm至50μm、从10nm至100μm、从50nm至100nm、从50nm至500nm、从50nm至1μm、从50nm至5μm、从50nm至10μm、从50nm至50μm、从50nm至100μm、从100nm至500nm、从100nm至1μm、从100nm至5μm、从100nm至10μm、从100nm至50μm、从100nm至100μm、从500nm至1μm、从500nm至5μm、从500nm至10μm、从500nm至50μm、从500nm至100μm、从1μm至5μm、从1μm至10μm、从1μm至50μm、从1μm至100μm、从5μm至10μm、从5μm至50μm、从5μm至100μm、从10μm至50μm、从10μm至100μm或从50μm至100μm。
81.在一些情况下，可能需要通过传导层实现铝合金层的部分或完全包封，诸如以限制用于使铝合金层与不希望的物质接触的任何潜在路径。另一个在图1b中以横截面图示示出的基板150可以包括完全被传导层160覆盖的铝合金层155。此类配置可以例如通过使用诸如电沉积工艺的非定向沉积技术来实现，该工艺可以是固溶相工艺并导致铝合金层155被传导层160完全包覆或包封。
82.可用于传导层的材料可以包括不与锂合金化的材料。换句话说，传导层不包含与锂合金化的材料可能是有用的。作为实例，传导保护层缺少或不包括铝、锌、镁、硅、锗、锡、铟、锑和/或碳可能是有用的。
83.可用于传导层的材料可包括在从0v至5v(相对于li/l
i+
)的电位下与锂不发生反应的材料。在一些情况下，当这些材料被用于或包含在传导保护层中时，此类材料可能会受到锂原子或锂离子的攻击，并且导致锂原子或锂离子到达铝合金层并腐蚀铝合金层、与铝合金层合金化或以其他方式降解铝合金层。可用于传导保护层的具体材料包括但不限于钛、铬、铁、镍、钼、钨、铜、氮化钛或这些的任何组合。可用于传导保护层的材料包括那些具有高纯度，诸如大于70重量％、大于75重量％、大于80重量％、大于85重量％、大于90重量％或大于95重量％的纯度的材料。然而，在一些情况下，传导保护层可以包含或包括材料的合金或混合物，诸如钛、铬、铁、镍、钼、钨或铜中的一者或多者的合金或混合物。
84.在一些情况下，包括用于传导保护层的复合结构可能是有用的。例如，传导保护层可以包括多个单独的子层，诸如两个或最多10个或20个或100个子层。每个子层可以具有与任何其他子层相同或不同的组成。每个子层可以使用与用于任何其他子层的工艺相同或不同的工艺和/或使用与用于任何其他子层的材料相同或不同材料来生成。在一些实例中，两个或更多个子层的使用可以允许一个子层覆盖、填充或以其他方式密封另一个子层中的疵点，以减少、最小化或限制不希望的材料传输到达下面的铝合金层。
85.图2a提供另一个基板200的横截面示意图，该基板包括铝合金层205和复合传导层210。图2a中所示的复合传导层210包括第一子层215、第二子层220和第三子层225。图2b提供另一个基板250的横截面示意图，该基板的铝合金层255完全被包括第一子层265和第二子层270的复合传导层包封。
86.如上所指出的，本文所述的基板可以用作电子基板，例如用于集流器或用作电化学电池和电容器中的电极组件的电子基板。图3提供对应于电极300的示例装置的横截面示意图，该电极可为电化学电池(例如，一次电化学电池或二次电化学电池)的组件。电极300包括铝合金层305、传导保护层310和活性材料315。活性材料315可对应于在电化学电池充电或放电期间发生电化学反应的材料。在不同的实施方案中，活性材料315可以对应于阴极活性材料或阳极活性材料。用于电极活性材料315的示例材料包括锂离子电池组阳极活性材料，诸如插层材料，如石墨。在一些情况下，可以使用金属锂阳极活性材料，诸如用于一次电池组。电极活性材料315的示例材料包括锂离子电池组阴极活性材料，诸如基于锂的材料，如锂钴氧化物、磷酸铁锂、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴铝氧化物等。
87.图4a示出对应于电化学电池400的示例装置的横截面示意图。电化学电池400包括第一电极402和第二电极404，该第一电极402在一些实例中可对应于阳极，该第二电极404在一些实例中可对应于阴极。电化学电池400的第一电极402包括第一集流器406，所述第一集流器406包括铝合金层405和传导保护层410。电化学电池400的第一电极402还包括第一活性材料415，诸如阳极活性材料。电化学电池400的第二电极404包括铝合金层420(作为第二集流器)和第二活性材料435，诸如阴极活性材料。电化学电池400还包括隔板和/或电解质，如部件435所例示的。隔板和/或电解质可用于阻止第一电极活性材料和第二电极活性材料彼此接触，同时仍允许离子在充电或放电期间传输通过。示例隔板可以是或包括非反应性多孔材料，诸如聚合物膜，如聚丙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)或聚丙烯腈。示例电解质可以是或包括有机溶剂，诸如碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯，或者固体或陶瓷电解质。电解质可包括溶解的锂盐，诸如lipf6、libf4或liclo4，以及其他添加剂。
88.图4b示出另一个示例电化学电池450的横截面示意图。电化学电池450包括第一电极452和第二电极，该第一电极452在一些实例中可对应于阳极，该第二电极在一些实例中可对应于阴极。电化学电池450的第一电极452包括第一集流器456，该第一集流器456包括铝合金层455和传导保护层460。电化学电池450的第一电极452还包括第一活性材料465，诸如阳极活性材料。电化学电池450的第二电极454包括第二集流器458，该第二集流器458包括铝合金层470和传导保护层475。电化学电池450的第二电极452还包括第二活性材料480，诸如阴极活性材料。电化学电池450还包括隔板和/或电解质，如部件485所例示的。第一集流器456的铝合金层455可以是与第二集流器458的铝合金层470相同的材料或不同的材料(例如，不同的合金)。第一集流器456的传导保护层460可以是与第二集流器458的传导保护层475相同或不同的材料。
89.尽管集流器406的传导保护层410、第一集流器456的传导保护层460和第二集流器458的传导保护层475在图4a和图4b中被描述为单一材料，但这些传导保护层反而对应于复合结构，诸如包括一个或多个子层，诸如上面描述的并在图2a和图2b中描绘的。
90.此外，电化学电池400和450可用于或用作其他装置的组件，例如便携式电子装置、移动电话、平板电脑等。例如，电化学电池450的第一集流器456和第二集流器458可以被定位成与电子装置或电子装置的电路直接或间接连通并且接收电流或将电流提供给电子装置或电子装置的电路。
91.使铝合金层和传导保护层接触可以包括任何合适的工艺或工艺组合以实现本文所述的基板。在一些实例中，如上所述，接触工艺可以包括给铝合金层(例如，铝合金箔)包
覆传导保护层。任选地，接触工艺可以包括给传导保护层(例如，金属或金属合金箔)包覆铝合金层。当传导保护层和铝合金层二者都包括箔时，可以使用诸如辊压粘结工艺的粘结工艺在箔之间产生牢固的冶金粘结。
92.本文公开的实施例将用于进一步说明本发明的各个方面，但同时不构成其任何限制。相反，应当清楚地理解，可以诉诸于本领域技术人员在阅读了本文的说明书之后可以想到的各种实施方案、其修改和等效方案，而不背离本发明的精神。除非另有说明，本文描述的实例和实施方案还可以利用常规程序。下面出于说明目的对一些程序进行描述。
93.实施例1
–
半电池的电化学电池测试
94.为了测试不同传导保护层的有效性，半电池被构造为具有作为工作电极的铝合金层、作为反电极的锂金属以及在铝合金层和锂金属之间的被电解质浸泡的隔板。测试了各种铝合金层，包括没有传导保护层的铝合金，以及用厚度约300nm的铜、氮化钛或铁的传导包覆层保护的铝合金层。
95.通过用恒电位仪控制施加的电压或电流来获得循环伏安图，以确定哪些保护层提高了作为集流器的铝合金在与锂离子电化学电池的阳极侧处的低电位类似的低电位下的稳定性。
96.图5a示出了使用构建的用于在0v和1v(相对于li/li
+
)之间循环的半电池获得的一组不同的循环伏安图。从0v到1v和从1v到0v扫描期间的电流幅度反映了锂与铝合金工作电极的反应性。在图5a中，标有“裸铝”的线对应于没有保护包覆层的铝合金电极，其表现出与锂的显著反应性。铜包覆层的保护(标记为“铜覆铝”的线)显示了铝合金层保护的微小变化。氮化钛包覆层(标记为“tin覆铝”的线)提供了更多的保护。标记为“铁覆铝”的线对应于使用铁作为传导保护层获得的伏安图，并显示出与锂的反应性显著改善。
97.作为对比，还获得了使用铜箔(标为“铜箔”的线)作为工作电极的循环伏安图，这在图5b中示出，具有铁保护的铝合金层，其中纵轴与图5a相比被放大。这表明铁包覆的铝合金层的反应性甚至比铜箔低得多。图5c示出铁包覆的铝合金层的循环伏安图的进一步放大图。
98.对作为工作电极的铁包覆的铝合金层和未包覆的铝合金层进行了进一步的测试。这里工作电极被保持在10mv(相对于li/li
+
)下以评估工作电极与锂的反应性。在这些条件下，发现裸铝具有很强的反应性，而铁包覆的铝合金层(受铁保护的铝合金层)的反应性要低得多。
99.实施例2
100.商用锂离子电池组于1991年由sony corporation首次推出，现已成为消费电子产品和电动汽车的主要电池组化学成分。从二十世纪八十年代中期设计的第一批商用电池组开始取得了巨大的进步，以提高能量密度、安全性和成本。在1991年到2005年之间，锂离子电池组的能量密度以每年10％的速度稳步增长。这些改进是通过设计阳极和阴极材料并优化液体电解质组成而获得的。例如，已将阳极材料从硬碳变换为石墨，已通过掺入ni、mn和al对licoo2阴极材料的组成进行了工程改造，并且已用不同的盐和添加剂对液体电解质组成进行改性从而控制sei的形成。尽管其余电池组组件发生这些变化，但美国专利4,668,595中描述的第一个基于插层的可充电锂离子电池组的集流器与当今使用的相同标准集流器大体上相同：阳极为10μm铜箔，而阴极为15μm铝箔。
101.集流器的作用是将活性材料连接到外部电路。出于这个原因，集流器需要具有高传导性、机械强度和粘性，以支撑电极材料。铜箔因其在低电位(相对于li/li
+
)下的电化学稳定性而被用作阳极集流器。含li的铝合金低于0.2v(相对于li/li
+
)，但其在高电位下是稳定的，因此被用在阴极侧上。除了电化学稳定性，铜箔的成本是铝箔的四倍，密度是铝箔的三倍，因此用铝代替铜集流器可以降低锂离子电池组的重量和成本。这可以为传统的以及下一代的基于锂的电池组提供重量能量密度的整体增加。
102.已经探索了在锂离子电池组中使用铝作为阳极集流器。鉴于其电化学稳定性窗口，al可被用作更高电压阳极材料的阳极集流器，所述更高电压阳极材料为诸如1.5v(相对于li/li
+
)的嵌入锂的钛酸锂。另一种方法是使用铝作为活性金属集流器。li-al合金化反应具有993mah g-1
的理论容量和90％的体积膨胀，这限制了al作为阳极材料的可循环性。
103.本实例中探讨了是否可以使用保护层来延长铝阳极集流器的稳定性达商业相关的时间段。该保护层应该具有电传导性，不应该与锂反应，并且阻挡锂扩散。而铜可能似乎是明显的候选者，但已经证明，当它被用作集流器时，锂可以扩散到这种材料中。不与锂反应的金属包括mo、nb、ti、ni、cr或fe。在fe的情况下，li的扩散可能极其缓慢。
104.本实例测试不与锂反应并阻挡锂扩散的电传导性膜(诸如fe)是否可以阻止li
+
和阳极集流器中的al之间的合金化反应。10mv(相对于li/li
+
)下恒电位保持(potentiostatic holds)被用于模拟完全充电电池组的电化学环境。这些测试表明，亚微米厚的铁膜将铝阳极集流器的稳定性延长至数百小时，且电流密度可与现有技术铜阳极集流器相当。在商用电池组中实施这些新材料可能有助于改善电池的重量，从而可以引起整体重量容量的改善。
105.方法。样本制备：铝箔基板的厚度为15μm。在溅射之前，借助胶带将箔固定在不锈钢或玻璃载片上。使用的铝箔有两个不同的侧面，一个侧面比另一个侧面更有光泽。在所有情况下，铁膜都被溅射在更有光泽的侧面。为了构建硬币型电池，使用双面传导碳带将铝箔固定在不锈钢垫片(直径1.55cm)上。该箔、碳带和不锈钢垫片的面积大致相同。在溢流电池的情况下，使用与铝条相同宽度的双面kapton胶带将铝箔条带粘在玻璃载片上。铝条比铝条被粘贴在其上的玻璃载片更长，以进行电气连接。固定箔后，用压缩氮气将它们牢牢地压在胶带上，以确保表面平整。临将样本载入溅射器中之前用异丙醇冲洗样本并用氮气干燥。
106.溅射：使用直流磁控溅射在铝箔基板上溅射铁膜。
107.电池构建：使用金属锂作为对电极和参比电极，用1.0m六氟磷酸锂在碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯(体积比为1:1，sigma)中的溶液作为电解质，并且用测试箔作为工作电极来构建电化学电池。使用了两种类型的电池：硬币型电池和溢流电池。cr2032硬币型电池是在干燥的ar手套箱中在不锈钢外壳内按以下堆叠顺序构建：不锈钢弹簧、测试箔、浸泡在电解质中的celgard隔板、锂金属电极。在铁保护的铝箔的情况下，经溅射的箔在溅射后不到1h被存放在同一个ar手套箱中。锂金属电极通常是一个小到足以装入硬币型电池中的圆盘，其带有celgard隔板。隔板被放置在远离箔的边缘的位置，并且锂电极被放置在隔板的中心。
108.溢流电池是如图8中的图c中所描绘的那样构建的。使用环氧树脂将石英管粘附到测试箔上，并在室温下在环境空气中固化约12小时，然后施加第二层并在相同条件下固化。在此之后，将电池带入手套箱中。将小方块状玻璃纤维放置于石英管内以覆盖测试箔的暴
露区域。在此之后，将适量的电解质移液到管中。将锂金属电极切成块，抛光，并缠绕在铜线的末端，从而完全覆盖其尖端。将铜线插入石英管中，确保锂金属电极被压在玻璃纤维隔板上并完全浸没在电解质中。铜线的另一端延伸通过石英管的开口。在手套箱内用相同的环氧树脂最终密封电池，并在室温下固化至少12小时，然后进行电化学测试。用于计算每个溢流电池实验的电流密度的面积是电池底部处的测试箔的暴露面积。
109.电化学测试：所有电池都经受线性扫描伏安法，然后在室温下经受恒电位保持。线性扫描伏安法的速率从开路电位至10mv为0.1mv s-1
。随后将电压保持在10mv直至失效。
110.表面表征：扫描电子显微镜检查(sem)以及x射线光电子能谱(xps)被用于探测铁保护的铝箔的表面。在空气中转移样本。在电化学测试的样本的情况下，注意将转移时间减少到30秒以下。
111.结果与讨论。图6示出铁保护的铝箔与裸铝和铜集流器相比的稳定性。在该测试中，将800nm的fe溅射在市售铝箔上。将该箔用作以金属锂作为反电极的硬币型电池中的工作电极。在图6中所示的10mv(相对于li/li
+
)下恒电位保持之前，通过以0.1mv/s的速率进行线性电压扫描，将电池从开路电位(约3v)带入。该协议类似于电池组充电，并然后在阳极被完全锂化一段延长的时间时模拟集流器的电化学环境。图6中的图a中的比较显示铁保护的铝集流器中的电流演化与标准铜集流器的情况是基本上同一的。相比之下，裸铝演化出比对铜集流器观察到的电流密度高两个数量级的电流密度。裸铝中的这种较大的电流密度与箔中的大的形态变化有关，如图6中的图d中所示。在这种情况下，裸铝箔在与锂反应期间被完全粉碎，在锂电极正下方的反应区域留下一个孔。
112.相反，较低的电流密度与箔的形态或机械完整性中没有可见的变化相关，如图6中的图c和图e中所示。在铁保护的铝箔的情况下，没有发生粉碎。尽管该箔与cu箔相比看起来并不平坦，但这并不是由于al箔的分解所致。相反，这是因为al箔在溅射之前被支撑在不锈钢垫片上的碳带上所致。在硬币型电池的制造过程中，隔板和li电极被压在箔上，从而使下面的碳带变形。在cu或裸al箔的情况下，没有使用碳带，这就是为什么这些箔在电化学测试程序后显得平坦的原因。
113.观察到的电流可以来自各种来源。在裸al的情况下，大部分电流来自与li的反应，而在裸cu的情况下，电流可能来自电解质分解。图6中的图b示出对应于图6中的图a中电流密度图的转移的累积电荷密度。假设al与li反应形成理论容量为993mah cm-3
的lial，则在15μm箔的锂化过程中转移的面电荷密度应为约4mah cm-2
。可以看出，裸al箔在不到5小时内就达到了该电荷密度，揭示了al的快速锂化。这种锂化导致90％的体积变化，并且已知会在al阳极中引起粉化，这与图6的图d中观察到的箔破坏一致。
114.cu集流器的电流演化具有不同的起源。如图6中的图a和图b所示，cu的电流密度和累积电荷密度显著低于al，但不为零。这似乎是由于cu与cu表面处的电解质不断反应，而不是由于al箔的锂化。
115.通过电子显微镜进一步证实了fe膜的机械稳定性。图7中的上图示出al箔上原始fe膜的形态(顶视图)。该膜的横截面显示出该膜的多晶结构和垂直于al基板的大量晶界。图7中的下图示出在用水和丙酮冲洗样本以去除任何sei后获得的经受了120小时的10mv下恒电位保持后的膜的顶视图，其显示出与原始fe膜非常相似的结构。与原始样本相比，没有发现fe膜损坏的迹象(例如裂纹或剥落)。
116.对溢流电池的电化学测试证明了延长al集流器的稳定性是可能的。这种电池配置中发生故障前的最长时间超过1000小时，比没有保护的情况下长多于三个数量级。该实验证据表明，fe可能确实阻止了al的锂化。
117.图8的图a和图b示出溢流电池在延长的时段内的电流瞬变。在数百小时内观察到低电流密度，其在接近结束时急剧增加。这种超过0.1ma cm-2
的电流密度增加指示故障。图8的图e示出故障后溢流电池的背面。虚线圆圈示出箔的机械完整性的明显变化。这表明，一旦锂通过缺陷到达铝，反应就会迅速级联，而不是一个渐进的过程。这可能是由于锂化后al的体积膨胀而发生的。这种体积膨胀会破坏保护膜并引发更多缺陷，使更多的al暴露于液体电解质和li储层。
118.溢流电池的分析中的一个重要考虑因素是用于密封它们的环氧树脂的作用。环氧树脂与fe保护层和液体电解质直接接触，这意味着它处于相同的电化学环境中并且容易分解。为了探索这种可能性，构建并比较了具有和不具有环氧树脂的硬币型电池，结果如图9所示。从图9的图a可以清楚地看出，具有环氧树脂的cu电池演化出比没有环氧树脂的电池高一个数量级的电流密度。这个结果对于铁保护的铝也是如此。此外，带有环氧树脂的铁保护的al电池形成了几微米厚的sei层。如此厚的sei在没有环氧树脂的细胞中是不可见的，这表明环氧树脂分子正在被还原形成sei。这一观察结果指示，在溢流电池中获得的电流密度值可能被夸大了。此外，在溢流电池中观察到故障的事实表明，环氧树脂的分解在延长这些电池的稳定性方面没有发挥作用。这些实验强调了在未来的应用中，仔细选择材料和策略以保护铁保护的铝集流器的边缘和背面的重要性。
119.结论该实施例证明，fe是阻止铝箔在低电位下锂化的合适材料。10mv(相对于li/li
+
)下恒电位保持表明，fe保护的al箔产生的电流密度与cu集流器相当，并且可以保持稳定超过1000小时。在超过100小时的恒电位保持后未观察到明显的形态变化。当故障发生时，电流密度突然增加，表明故障过程迅速级联。这种故障可能是由于fe膜中存在缺陷。此处呈现的结果支持使用al阳极集流器作为锂离子电池组中cu的替代品。
120.图标题。图6.与cu和裸al相比al上fe保护层的性能。图a：cu、裸al和fe保护的al在经受120小时的10mv下恒电位保持期间电流密度的演化。较深的蓝色线代表相同实验条件的3次重复的平均值，浅蓝色区域表示标准偏差。图b：对应于图a中的实验的转移电荷密度的演化。在经受了10mv下恒电位保持后的cu(图c)、裸al(图d)、铁保护的al(图e)的照片。注意图d中的孔与锂电极的形状和位置相匹配。隔板和锂电极的印记仅在图e中可见，因为该箔是用碳带固定在钢集流器上的，而其他样本没有碳带。
121.图7.溅射fe膜的扫描电子显微镜图像。上图：原始fe薄膜样本的顶视图。下图：用水和丙酮冲洗的经受了120小时的10mv下恒电位保持后的fe保护薄膜的顶视图。下图是从位于锂电极正下方的区域拍摄的。
122.图8.溢流电池配置和长期稳定性演示。图a：在10mv下恒电位保持期间溢流电池中各种箔的电流密度演化。图b：对应于图a中的实验的电荷密度演化。图c：溢流电池配置的示意图。图d：溢流电池的照片。图e：故障期间fe保护的al箔的背面。虚线圆圈标记溢流电池的活性组分的位置。
123.图9.环氧树脂对电流密度演化的影响。图a：使用和不使用环氧树脂的各种硬币型电池的电流密度演化。图b：在经受了120小时的10mv下恒电位保持后用环氧树脂密封的fe
保护的箔的照片，其显示箔的中心区域有厚厚的灰色sei。
124.说明性方面
125.如以下所使用，对一系列方面(例如，“方面1至4”)或未列举的方面的组(例如，“任何前述或随后的方面”)的任何提及应理解为对这些方面中的每一个方面的分开的提及(例如，“方面1至4”应理解为“方面1、2、3或4”)。
126.方面1是基板，其包括：铝合金层；以及传导保护层，所述传导保护层与铝合金层接触。
127.方面2是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层阻止锂原子或锂离子传输至所述铝合金层。
128.方面3是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层没有或基本上没有允许锂原子或锂离子传输至铝合金层的疵点。
129.方面4是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层没有或基本上没有在所述传导保护层的面向所述铝合金层的表面和所述传导保护层的对置表面之间延伸的疵点。
130.方面5是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括在所述铝合金层上的包覆层。
131.方面6是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包覆所述铝合金层的全部或一部分。
132.方面7是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述铝合金层包括在所述传导保护层上的包覆层。
133.方面8是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括在所述铝合金层的全部或一部分上的完整包封层。
134.方面9是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包含不与锂合金化的材料。
135.方面10是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层不包含与锂合金化的材料。
136.方面11是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层不包括铝、锌、镁、硅、锗、锡、铟、锑或碳。
137.方面12是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层具有70重量％或更高的纯度。
138.方面13是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包含在相对于li/li+的从0v至5v的电位下不与锂反应的材料。
139.方面14是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包含钛、铬、铁、镍、钼、钨、铜或氮化钛中的一者或多者。
140.方面15是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括复合结构。
141.方面16是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述复合结构至少包括第一子层和第二子层，并且其中所述第一子层和所述第二子层包含相同的材料或不同的材料。
142.方面17是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述复合结构的一个或多个子层各自独立地具有70重量％或更高的纯度。
143.方面18是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括物理沉积层、溅射沉积层、蒸发沉积沉积层、化学沉积层、电沉积沉积层、电镀层、化学气相沉积沉积层，或原子层沉积沉积层。
144.方面19是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括晶体结构或多晶结构。
145.方面20是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层具有30重量％或更少的氧含量。
146.方面21是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括具有1重量％或更少的杂质含量的金属层。
147.方面22是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层具有从105s/m至108s/m的电导率或从10-8
ω
·
m至10-6
ω
·
m的电阻率。
148.方面23是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层具有从10nm至100μm或从1μm至500μm的厚度。
149.方面24是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层是金属片材或金属合金片材或金属箔或金属合金箔。
150.方面25是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述传导保护层包括第一箔，其中所述铝合金层包括第二箔，并且其中所述第一箔和所述第二箔彼此粘结。
151.方面26是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述铝合金层包括铝合金片材或铝合金箔。
152.方面27是任何前述或随后方面所述的基板，其中所述铝合金层具有从10nm至100μm或从1μm至500μm的厚度。
153.方面28是任何前述或随后方面所述的基板，其包括或对应于电子基板。
154.方面29是任何前述或随后方面所述的基板，其包括或对应于集流器。
155.方面30是任何前述或随后方面所述的基板，其包括或对应于用于电化学电池、电容器或超级电容器的集流器。
156.方面31是任何前述或随后方面所述的基板，其包括或对应于用于锂离子电化学电池的集流器。
157.方面32是任何前述或随后方面所述的基板，其包括或对应于阳极集流器或阴极集流器。
158.方面33是装置，其包括：铝合金层，其中所述铝合金层对应于电极的集流器；传导保护层，所述传导保护层与所述铝合金层接触；以及电极活性材料，所述电极活性材料与传导保护层接触。
159.方面34是任何前述或随后方面所述的装置，其包括或对应于电化学电池电极。
160.方面35是任何前述或随后方面所述的装置，其中所述电极活性材料包含锂离子阴极活性材料或锂离子阳极活性材料。
161.方面36是任何前述或随后方面所述的装置，其包括或对应于电化学电池或电池组。
162.方面37是任何前述或随后方面所述的装置，其中所述铝合金层、所述传导保护层以及所述电极活性材料包括或对应于第一电化学电池电极，并且其中所述装置进一步包
括：第二电化学电池电极；以及电解质，所述电解质被定位在所述第一电化学电池电极和所述第二电化学电池电极之间。
163.方面38是任何前述或随后方面所述的装置，所述装置进一步包括：电子装置电路，所述电子装置电路与所述第一电化学电池电极或所述第二电化学电池电极直接或间接电连通并从所述第一电化学电池电极或所述第二电化学电池电极汲取或接收电流。
164.方面39是任何前述或随后方面所述的装置，其包括或对应于便携式电子装置。
165.方面40是任何前述或随后方面所述的装置，其中所述铝合金层和所述传导保护层包括或对应于任何前述或随后方面所述的基板。
166.方面41是制造基板的方法，所述方法包括：提供铝合金层；以及使所述铝合金层与传导保护层接触。
167.方面42是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述接触包括使用物理沉积工艺、溅射沉积工艺、蒸发沉积工艺、化学沉积工艺、电沉积工艺、电镀工艺、化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺中的一种或多种工艺将所述传导保护层作为包覆层沉积在所述铝合金层上。
168.方面43是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述接触包括将所述传导保护层作为多个单独的包覆工艺沉积。
169.方面44是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述传导保护层包括复合结构，并且其中所述接触包括：在所述铝合金层上沉积第一子层；以及在所述第一子层上沉积第二子层。
170.方面45是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述接触包括使用物理沉积工艺、溅射沉积工艺、蒸发沉积工艺、化学沉积工艺、电沉积工艺、电镀工艺、化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺中的一种或多种工艺将所述铝合金层作为包覆层沉积在所述传导保护层上。
171.方面46是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述铝合金层包括铝合金箔并且其中所述传导保护层包括在所述铝合金箔上的包覆层。
172.方面47是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述传导保护层包括金属箔或金属合金箔并且其中所述铝合金层包括在所述金属箔或金属合金箔上的包覆层。
173.方面48是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述铝合金层包括第一箔，其中所述传导保护层包括第二箔，并且其中所述接触包括粘结所述第一箔和所述第二箔。
174.方面49是任何前述或随后方面所述的方法，其中所述基板包括任何前述方面所述的基板。
175.本文引用的所有专利和出版物都通过引用方式以其整体并入。实施方案(包括例示的实施方案)的前述说明仅仅出于说明和描述的目的而呈现，并且不意图穷举或限制所公开的精确形式。其多种修改、变动和用途对于本领域技术人员而言将是显而易见的。