制造电池的方法、形成转换材料的方法和形成电池单元的方法技术

本发明专利技术涉及电化学领域，特别地涉及一种制造电池的方法、形成转换材料的方法和形成电池单元的方法。更具体地，本发明专利技术提供一种制造电池的方法，所述方法包括：(a)提供包含电化学活性材料的阴极，所述电化学活性材料与集电体电连通并且包含：(i)金属组分，和(ii)在约20nm或更小的距离尺寸上与所述金属组分相混合的锂化合物组分，其中当充满电形成所述金属组分和所述锂化合物的阴离子的化合物时，所述电化学活性材料在利用锂离子以至少约200mA/g的速率放电时具有约350mAh/g或者更大的可逆比容量；和(b)组合阴极与阳极和固态电解质以形成电池。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及电化学领域，特别地涉及一种。更具体地，本专利技术提供一种制造电池的方法，所述方法包括：(a)提供包含电化学活性材料的阴极，所述电化学活性材料与集电体电连通并且包含：(i)金属组分，和(ii)在约20nm或更小的距离尺寸上与所述金属组分相混合的锂化合物组分，其中当充满电形成所述金属组分和所述锂化合物的阴离子的化合物时，所述电化学活性材料在利用锂离子以至少约200mA/g的速率放电时具有约350mAh/g或者更大的可逆比容量；和(b)组合阴极与阳极和固态电解质以形成电池。【专利说明】制造电池的方法、形成转换材料的方法和形成电池单元的 方法 本申请是于2013年7月18日提交的申请号为201310302774. 5专利技术名称为"用于 电化学转换反应的纳米结构材料"的中国专利申请的分案申请。
本公开涉及电池系统。
技术介绍
近年来，由于基于化石燃料的能源的短缺以及来自化石燃料消耗的不利环境影 响，公共的和私有的部门都将大量宝贵的资源投入到清洁能源技术中。清洁能源技术的一 个重要方面是储能，或者简单地说电池系统。在过去，开发和使用了许多电池类型，它们具 有其各自的优点和缺点。由于锂材料的化学性质，包括高电荷密度，所以锂材料已经用在电 池的多种部件中。例如,在可充电的锂离子电池中,放电过程中锂离子从负极移动到正极。 在锂电池的基本运行中，转换材料经历与锂的转换反应，转换材料的性能是电池的一个重 要方面。
技术实现思路
本公开的一个方面涉及阴极材料，其特征可以为具有大约20nm或更小的中值特 征尺寸的颗粒或纳米畴。这些颗粒或纳米畴包括（i)选自铁、钴、猛、铜、镍、秘及其合金的 金属的颗粒或纳米畴，和（ii)锂的氟化物的颗粒或纳米畴。 在一些实施方案中，单个颗粒额外地包含金属的氟化物。在一些情况下，阴极材料 额外地包含铁的氟化物，例如氟化铁。例如，金属可以是铁，颗粒或纳米畴进一步包含氟化 铁。 在一些实施方案中，一些颗粒或纳米畴只含有金属，其他颗粒或纳米畴只含有锂 的氟化物。在一些实施方案中，阴极材料的单个颗粒包含金属和锂的氟化物两者。在一个 实例中，锂的氟化物包括氧氟化锂。 在一些实施方案中，阴极材料额外地包含（iii)导电添加剂。在一些情况下，导 电添加剂是混合的离子-电子导体。在一些情况下，导电添加剂是锂离子导体。在一些实 施方案中，锂离子导体是或者包含硫代-LiSICON、石榴石、锂的硫化物、FeS、FeS2、铜的硫 化物、钛的硫化物、Li2S-P2S5、锂铁的硫化物、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiKLi2S-SiS2-Al2S3、 Li2S-SiS2-GeS2'Li2S-SiS2-P2S5'Li2S-P2S5'Li2S-GeS2-Ga2S3 或Li10GeP2S1215 在一些实施方案中，颗粒或纳米畴的中值特征尺寸是大约5nm或更小。在一些材 料中，颗粒中的金属呈现为具有小于大约20nm的中值特征尺寸的金属纳米畴。在一些材料 中，颗粒或纳米畴在大约IOOOnm3的体积内基本上是均匀的。 本公开的另一方面涉及用于阴极的玻璃态转换材料。这样的材料的特征可以为在 小于Inm的尺寸下混合的金属、一种或更多种氧化性物质和还原性阳离子。另外，玻璃态转 换材料在IOOOnm3的体积内基本上是均匀的。在一些实施方案中，阳离子包括锂、钠或镁。 在一些实施方案中，玻璃态转换材料基本上不含体积大于125nm3的单一金属物质或氧化性 物质的团块。 另一方面涉及阴极，其特征可以为以下特征：（a)集电体；和（b)与集电体电连通 的电化学活性材料。电化学活性材料包含（i)金属组分，和（ii)在大约20nm或更小的距 离尺寸上与金属组分混合的锂化合物组分。另外，当完全充电形成金属组分的化合物和锂 化合物的阴离子时，电化学活性材料当利用锂离子以至少约200mA/g的速率放电时具有大 约350mAh/g或者更大的可逆比容量。 在一些情况下，阴极额外地包含导电增强剂，例如电子导体组分和/或离子导体 组分。一些阴极包含混合的离子-电子导体组分。在一些情况下，混合的离子-电子导体 组分占阴极的小于30重量％。混合的离子-电子导体组分的实例包括硫代-LiSICON、石榴 石、锂的硫化物、FeS、FeS2、铜的硫化物、钛的硫化物、Li2S-P2S5、锂铁的硫化物、Li2S-SiS2、 Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Al2S3、Li2S-SiS2-GeS2、Li2S-SiS2-P2S5、Li2S-P2S5、Li2S-GeS2-Ga2S3 和Li10GeP2S1215 在一些阴极中，金属组分是过渡金属、铝、铋或任意这些金属的合金。在一些情况 下，金属组分是铜、锰、钴、铁或任何这些金属的合金。例如，金属组分可以是铁与钴和/或 锰的合金。在一些阴极中，金属组分包含中值特征长度为大约5nm或更小的的金属晶粒。 在一些实施方案中，锂化合物组分选自锂的卤化物、锂的硫化物、锂的硫卤化物、 锂的氧化物、锂的氮化物、锂的磷化物和锂的硒化物。在一个实例中，锂化合物组分是锂的 氟化物。在另一个实例中，锂化合物组分是锂的氟化物，金属组分是锰、钴、铜、铁或任何这 些金属的合金。在一些阴极中，所述锂化合物组分含有中值特征长度尺寸为大约5nm或更 小的颗粒或纳米畴。在一些实施方案中，锂化合物组分包含充电时与金属形成金属化合物 的阴离子，所述金属化合物和锂离子经历反应生成金属和锂化合物组分，并且反应的吉布 斯自由能为至少约500kJ/摩尔。 本公开的另一方面涉及固态储能装置，其特征在于以下特性：⑴阳极、（ii)固态 电解质、和（iii)阴极，所述（iii)阴极包含（a)集电体、(b)与集电体电连通的电化学活性 材料。电化学活性材料包含（i)金属组分，和（ii)在大约20nm或更小的距离尺寸上与金 属组分相混合的锂化合物组分。另外，当利用锂离子在50°C下相对Li在1到4V之间以至 少约200mA/g的速率放电时，电化学活性材料具有大约600mAh/g或者更大的可逆比容量。 在一些储能装置中，阳极、固态电解质和阴极一起提供厚度约1μm至ΙΟμ--的叠 层。在一些设计中，电化学活性材料提供在厚度为大约IOnm到300μm的层中。 在一些储能装置中，当利用锂离子以至少约200mA/g的速率放电时，电化学活 性材料具有大约700mAh/g或者更大的可逆比容量。在一些设计中，当在KKTC下以及约 200mAh/g阴极活性材料的充电速率来进行循环时，所述装置具有低于约IV的平均电压滞 后。 固态储能装置的各种其他特征与刚对阴极所标出的那些特征相同。这些其他特征 包括阴极的组成等。 本公开的另一方面涉及电池单元，其特征在于以下特征：(a)电解质；(b)阳极； 和（c)具有与电解质的界面的固态转换材料，放电状态下的所述固态转换材料包含在小于 lnm的尺寸下混合的金属、一种或更多种氧化性物质、和还原性阳离子。在一些实施方案中， 转换材料基本上是玻璃态的。金属可以是过渡金属材料，例如钴、铜、镍、锰和/或铁材料。 阳离子可以是锂、钠和/或镁材料。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造电池的方法，所述方法包括：(a)提供包含电化学活性材料的阴极，所述电化学活性材料与集电体电连通并且包含：(i)金属组分，和(ii)在约20nm或更小的距离尺寸上与所述金属组分相混合的锂化合物组分，其中当充满电形成所述金属组分和所述锂化合物的阴离子的化合物时，所述电化学活性材料在利用锂离子以至少约200mA/g的速率放电时具有约350mAh/g或者更大的可逆比容量；和(b)组合阴极与阳极和固态电解质以形成电池。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：帝摩斯·霍姆，J·辛格，瑞纳·法史英，韩啸天，W·A·赫尔曼，赵正杰，B·O·斯廷森，K·布朗，
申请(专利权)人：量子世界公司，
类型：发明
国别省市：美国;US