包括集流器和硅电极的组件制造技术

本发明专利技术涉及包括集流器和硅电极的组件，其特征在于，集流器和所述电极经由它们表面中的至少一个通过弹性聚合物层连接在一起。本发明专利技术可以用于锂电池领域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括集流器和硅电极的组件
本专利技术涉及用于锂电池概念的基于硅的的新型集流器-电极组件。因此，本专利技术的一般领域限定为锂电池领域。
技术介绍
锂电池被越来越多地用作自发能源，尤其用在便携电子设备(例如移动电话、笔记本电脑，作业工具)中，其中它们正在逐渐地代替镍镉(nickel-cadmium,NiCd)和镍金属氢化物(nickel-metalhydride,NiMH)电池。它们被广泛用于提供新型微应用，例如芯片卡、传感器或其它电化学系统所要求的能量供应。商业可用锂离子型的锂电池一般具有的3.7伏特的标定电压，极低的自放电并且当前使得在操作温度的扩充范围(-20℃至+65℃)中的大约160-180Wh/kg和420-500Wh/kg的存储成为可能。根据以下原理，这些锂电池基于锂的注入-脱出(或者嵌入-脱嵌)原理进行操作。在电池的放电期间，从离子形式Li+的负电极脱出的锂通过离子导电电解质移动并且将其自身注入正电极的活性材料的晶格中。电池的内部电路中的每个Li+离子的通路精确地由外部电路中的电子的通路来补偿，从而生成电流。这些反应释放的质量能量密度一面与两个电极之间的电势差成比例，一面又与将被注入正电极的活性材料的锂的数量成比例。在电池的充电期间，在电池内发生的反应是逆向放电反应，也就是：–负电极要将锂注入构成负电极的材料的晶格中；–正电极要释放锂。由于这个操作原理，锂电池要求在负电极和正电极处的两个不同注入化合物。正电极通常以以下类型的过渡金属的锂化氧化物为基础：–分子式为LiMO2的层状氧化物型，其中M指示Co、Ni、Mn、Al及其混合物，例如LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni、Co、Mn、Al)O2；或者–尖晶石结构的氧化物型，例如LiMn2O4。负电极可以以碳材料为基础，尤其以石墨为基础。石墨具有大约372mAh/g的理论比容量(与LiC6合金的形成对应)和大约320mAh/g的实际比容量。然而，在第一充电期间石墨展示出高的不可逆性、在循环中的容量连续损失和在高充电/放电率(例如，对于C/2充电率而言的)情况下的总体不可接受的活跃限制。利用改进负电极中的锂的注入属性的观点，研究者致力于搜索新的电极材料。因此，他们发现，能够形成带有锂的合金的材料或元素能够构成对于石墨的使用的优良可替选项。在这个方式下，演示出负电极中的硅的注入使得可以大大地增加负电极的容量比，该负电极链接到锂中的注入物，该容量比为对于石墨电极的320mAh/g和对于硅电极的3578mAh/g(与硅中的锂的外围温度处的注入期间的合金Li15Si4的形成对应)。因此，通过简单的预测，如果由硅来代替在“锂离子”领域的传统电池中的石墨，可以设想分别在体积能量中和在质量能量中的大约40％和35％的增益。而且，高于石墨的操作电势窗口的，分子式为Li15Si4的锂-硅合金的操作电势窗口(0.4-0.05V/-Li-Li+)使得可以避免金属锂的沉积物的形成及相关危险，同时留下实现更快的充电的可能性。另外，建立导致非常高容量(大约3578mAh/g)的锂-硅合金的形成的反应是可逆的。但是，锂电池的负电极中的硅的使用具有一定数量的问题。具体地，在硅-锂合金的形成(与在充电过程中的负电极中的锂的注入对应)的反应期间，在去锂化阶段和锂化阶段之间的体积膨胀可以达到从240％至400％的范围内的值。这个后面接着相同幅度的收缩(与放电过程期间的负电极中的锂的脱出对应)的强烈膨胀可以快速引起电极的不可逆机械损坏。而且，由于锂的注入生成的硅的增大，接着发生集流器-电极界面的重大加载，不可避免地导致所述集流器和所述电池之间粘合的开裂，甚至在集流器的水平处的裂缝，这促进减少电池的集电表面。因此，本专利技术的作者自己设置的目的为提出一种使得可以克服前述缺点的集流器-电极组件。
技术实现思路
因此，本专利技术涉及一种包括集流器和电极的组件，该电极包括元素形式的硅，该组件特征在于，所述集流器和所述电极通过它们的表面中的至少一个通过弹性聚合物层连接在一起。由于硅电极和集流器之间的弹性聚合物层的存在，锂电池中的锂的注入现象期间，硅的增大所引起的变形被所述聚合物层吸收，这样使得可以保护收集器-电极界面不受任何机械退化的现象影响。应当指出的是，弹性聚合物层的意思是指包括在被变形之后能够恢复其初始形状及其体积的一种或多种聚合物。因此，这个弹性聚合物层可以包括从热塑性聚合物、热固性聚合物、开始具有弹性的弹性体及其混合物中选出的一种或多种聚合物。作为热塑性聚合物的实例可以为从脂肪族或环乙烯基单体的聚合获取的聚合物，例如聚烯烃(其中，聚乙烯或代替的聚丙烯尤其适合本专利技术)获得的所引用的聚合物；可以为从芳香乙烯基单体的聚合获得的聚合物，例如聚苯乙烯；可以为从丙烯酸和/或(甲基)丙烯酸酯单体、聚酰胺，聚醚，聚酰亚胺的聚合获得的聚合物。作为热固性聚合物的实例可以为所引用热固性树脂(例如，环氧树脂、聚酯树脂)，该热固性树脂可选地与聚氨酯或聚醚多元醇的混合，或反之亦然。作为弹性聚合物的实例可以为所引用的自然橡胶(从橡胶树种植园中收集的乳胶中获得)、人工橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物(也称为缩写“SBR”)、乙烯-丙烯共聚物(也称为缩写“EPM”)和硅。这些聚合物可以通过氧、硫或其它能够实现所述硬化的化学元素来硬化。如上文提到的，聚合物层可以由热塑性聚合物(一种或多种)、热固性聚合物(一种或多种)和/或弹性聚合物(一种或多种)的混合物制成。因此，例如，聚合物层可以由以下混合物组成：-热固性树脂(例如环氧树脂、聚酯树脂)与聚氨酯或与聚醚多元醇的混合物；-从芳香族、脂肪族和/或环乙烯基单体的聚合获得的聚合物与聚氨酯或与苯乙烯-丁二烯弹性体的混合物。优选的，弹性聚合物层由如上文提到的一种或多种弹性聚合物形成。这个弹性聚合物层还确保粘合功能，以便将内聚力给予由集流器和电极构成的组件。这个弹性聚合物还可以为电绝缘层，从而将集流器与电极电绝缘。因此，电路收集器-电极组件可以进一步包括所述集流器和所述电极之间的电连接装置，所述装置能够采用将集流器连接至所述电极并且穿过所述弹性聚合物层的导电元件的形式。所述装置可以形成集流器的整体部分。根据本专利技术，集流器可以为导电基板的形式，例如，金属基板(所述金属板能够为金属条带的形式)。作为实例，金属基板可以为选自铜、铝、镍及其混合物的一种或多种金属元素构成金属基板。根据本专利技术的具体实施方式，集流器可以为包裹有碳纳米管束的导电基板的形式，所述纳米管能够关于所述基板的表面来垂直或相互平行设置，并且有益地是穿过弹性聚合物层，以便于电极接触。这个基板由导电材料制成，该导电材料能够用作碳纳米管的生长的基座。导电基板可以为：–以金属元素为基础的基板，例如由铝制成的基板或由金属化的弹性材料制成的膜所组成的基板；–以非金属元素为基础的基板，例如，掺杂的硅基板；–由碳材料制成的基板，例如石墨、石墨烯、碳纳米管。因此，所述碳纳米管束使得构成集流器的基板和电极之间的电连接成为可能。基板可以具有100μm以下的厚度，例如50μm以下，(例如包括5μm和30μm之间)，例如等于10μm。而且，碳纳米管束可以一方面确保电极的体积的电流的注入和提取功能，另一方面确保无论变形的等级怎样，都确保与所述电极接触(由于碳纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括集流器和电极的组件，该电极包括元素形式的硅，所述组件特征在于，所述集流器和所述电极经由它们的表面中的至少一个通过弹性聚合物层连接在一起。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.07 FR 12511291.一种包括集流器和电极的组件，该电极包括元素形式的硅，其中，所述集流器和所述电极经由它们的表面中的至少一个通过弹性聚合物层连接在一起，所述集流器的形式为在其一个表面上包裹有一束碳纳米管的导电基板，所述束穿过所述弹性聚合物层，以与电极接触。2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述弹性聚合物层包括从热塑性聚合物、热固性聚合物、弹性体聚合物及其混合物中选出的一种或多种聚合物。3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述热塑性聚合物选自聚烯烃。4.根据权利要求2所述的组件，其中，所述弹性体聚合物选自天然橡胶、合成橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物和硅酮。5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述导电基板由选自铜、铝、镍及其混合物的成分制成。6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述电极包括碳材料。7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述碳材料为炭黑...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕斯卡尔·蒂凯，塞巴斯蒂安·多内，莱昂内尔·菲约尔，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR