用于沉积活性材料的模板电极结构制造技术

本发明专利技术提供了电化学活性的材料、使用这种材料的电极、以及生产这种电极的方法的实例。所述电化学活性的电极材料可以包括包含金属硅化物的高表面积模板和沉积在所述模板上方的高容量活性材料层。所述模板可以起到活性材料的机械支撑的作用和/或活性材料与例如基材之间的电导体的作用。由于模板的高的表面积，即使活性材料的薄层也能够提供足够的活性材料负载和相应的蓄电池容量。因而，可以将所述层的厚度保持在所使用的活性材料的破裂阈值以下且在蓄电池循环过程中保持活性材料的结构完整性。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】用于沉积活性材料的模板电极结构 本申请是申请日为2011年3月2日，专利技术名称为"用于沉积活性材料的模板电极 结构"的中国专利申请201180019460. 3的分案申请。 相关申请的交叉引用 本申请要求 2010 年 3 月 3 日提交的题为"Electrochemical Active Structures Containing Silicides"的美国临时申请61/310, 183的权益，出于所有目的将所述申请通 过引用以全文并入本文。本申请是Cui等人在2009年5月7日提交的题为"ELECTRODE INCLUDING NANOSTRUCTURES FOR RECHARGEABLE CELLS" 的美国专利申请 12/437,529 的部 分继续申请。
技术介绍
对于高容量可充电蓄电池的需求强劲且每年都在增加。许多应用诸如航空和航 天、卫生器材、便携式电子设备、和汽车应用都需要高重量容量和/或体积容量的电池。在 这些领域中锂离子电极工艺提供了一些改善。然而，迄今为止，锂离子电池主要用石墨制 造，石墨只有372mAh/g的理论容量。 硅、锗、锡和许多其它材料由于其高电化学容量而成为有吸引力的活性材料。例 如，硅具有约4200mAh/g的理论容量，其对应于Li 44Si相。然而，这些材料材料中有许多尚 未广泛用于商用的锂离子蓄电池。一个原因在于这些材料中的一些在循环过程中表现出显 著的体积变化。例如，硅在被充电到其理论容量时膨胀达400%。这种程度的体积变化可以 引起活性物质结构中的显著应力，引起破裂和粉碎、电极内的电连接和机械连接失效、以及 容量减小。 常规的电极包括用于将活性材料保持在基材上的聚合物粘合剂。大多数的聚合物 粘合剂的弹性不足以容纳一些高容量材料的大膨胀。结果，活性物质颗粒倾向于彼此分离 以及与集流体分离。总的说来，对于使上述缺点最小化的、改善的高容量活性材料在蓄电池 电极中的应用有所需求。 专利技术简述 本专利技术提供了电化学活性的电极材料、使用这种材料的电极、以及生产这种电极 的方法的实例。电化学活性的电极材料可以包括包含金属娃化物的高表面积模板和沉积在 所述模板上方的高容量活性材料层。所述模板可以用作活性材料的机械支撑体和/或活性 材料与例如基材之间的电导体。由于模板的高的表面积，即使活性材料的薄层也能够提供 足够的活性材料负载和相应的每表面积电极容量。因而，可以将活性材料层的厚度保持低 于其破裂阈值，以保持其在蓄电池循环过程中的结构完整性。还可以特定地设置（profile) 活性层的厚度和/或组成以减少基材界面附近的膨胀和保持该界面连接。 在某些实施方案中，用于锂离子电池的电化学活性的电极材料包括包含金属硅化 物的纳米结构化的模板和涂覆所述纳米结构化模板的电化学活性材料层。电化学活性材料 构造为在锂离子电池的循环过程中接受和释放锂离子。另外，所述纳米结构化模板可以促 进去往和来自电化学活性材料的电流的传导。电化学活性的电极材料还可以包括在电化学 活性材料层上方形成的壳。所述壳可以包括碳、铜、聚合物、硫化物、和/或金属氧化物。 纳米结构化的模板中的金属硅化物的实例包括硅化镍、硅化钴、硅化铜、硅化银、 硅化铬、硅化钛、硅化铝、硅化锌、和硅化铁。在特定的实施方案中，金属硅化物包括至少一 种选自Ni 2Si、NiSi、和NiSi2的不同的硅化镍相。电化学活性材料可能是晶态硅、非晶硅、 氧化硅、氧氮化硅、包含锡的材料、包含锗的材料、和包含碳的材料。电化学活性材料可具有 至少约500mAh/g，或者更具体地为至少约1000mAh/g的理论锂化容量。具有这种容量的活 性材料可被称为"高容量活性材料"。在某些实施方案中，电化学活性的电极材料可用于制 造正电极。正极电化学活性材料的实例包括LiMO 2形式的各种活性组分，其中M表示平均 氧化态为3的一种或多种离子。这些离子的实例包括钒（V)、锰（Mn)、铁（Fe)、钴（Co)、和 镍（Ni)。非活性成分可以是Li 2M'O3的形式，其中M'表示平均氧化态为4的一种或多种离 子。这些离子的实例包括锰（Mn)、钛（Ti)、锆（Zr)、钌（Ru)、铼（Re)、和铂（Pt)。其它正极 活性材料包括硫、硅酸锂铁（Li 2FeSiO4)、六价铁钠氧化物（Na2FeO4) 13 在某些实施方案中，将电化学活性材料层掺杂以增加活性材料的传导性。掺杂剂 的一些实施例包括磷和/或硼。在某些实施方案中，纳米结构化的模板包括含硅化物的纳 米线。纳米线的平均长度可以为约1微米到200微米和/或平均直径为低于约100纳米。 电化学活性材料层的平均厚度为最小约20纳米。在这些或其它实施方案中，活性材料与模 板的质量比至少为约5。 在特定的实施方案中，电化学活性材料层包括非晶硅。这个层的平均厚度可至少 为约20纳米。另外，纳米结构化的模板包括硅化镍纳米线，所述硅化镍纳米线的平均长度 可以为约1微米到200微米且平均直径为低于约100纳米。 还提供了用于锂离子电池的锂离子电极。在某些实施方案中，锂离子电池电极包 括电化学活性的电极材料，所述电化学活性的电极材料包含纳米结构化的模板和涂覆所述 纳米结构化模板的电化学活性材料的层。所述纳米结构化的模板可以包括金属硅化物。模 板可以促进去往和来自电化学活性材料的电流的传导。电化学活性材料可以构造为在锂离 子电池的循环过程中接受和释放锂离子。电极还可以包括与所述电化学活性的电极材料电 连通的集流体基材。所述基材可以包括金属硅化物的金属。 在某些实施方案中，电极的纳米结构化模板包括固定于基材中的纳米线。在一些 情形中，纳米结构化模板的表面积与基材的表面积之比最小为约20。基材可以包括基本上 不含金属硅化物的金属的基底（base)亚层和包含金属硅化物的金属的顶部亚层。基材可 以包括铜、镍、钛、和/或不锈钢。正电极的基材还可以包括铝。 电化学活性的电极材料可以包括具有自由末端和固定于基材的末端的多重结构。 这些多重结构中的每一种都包括纳米结构化的模板和电化学活性材料。在某些实施方案 中，电化学活性材料（至少部分地）涂覆模板。活性材料层可以具有沿着模板的高度（例如 沿着纳米线模板的长度）而变化的厚度和/或组成。在特定的实施方案中，活性材料在结 构的自由末端的厚度是固定于基材的末端的厚度的至少两倍。在相同或其它实施方案中， 电化学活性材料包括非晶硅和锗。与固定于基材的末端相比，所述材料可在结构的自由末 端处具有更多的硅和更少的锗。 还提供了用于锂离子电池的锂离子电池电极的制造方法。在某些实施方案中，方 法包括：接受基材，在基材的表面上形成包含金属硅化物的纳米结构化模板，和在纳米结构 化的模板上形成电化学活性材料层。电化学活性材料构造为在锂离子电池的循环过程中接 受和释放锂离子。纳米结构化的模板构造为促进去往和来自电化学活性材料的电流的传 导。此外，模板为电化学活性材料提供结构支撑，如以下进一步所述的。 在某些实施方案中，方法还包括在形成金属硅化物模板之前处理基材。这种处理 可以包括以下技术中的一种或多种：氧化、退火、还原、粗糙化、溅射、蚀刻、电镀、反向电镀 (reverse-electroplating)、化学气相沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于锂离子电池的电化学活性的电极材料，所述电化学活性的电极材料包含：包含金属硅化物的纳米结构化模板；和涂覆所述纳米结构化模板的电化学活性材料层，所述电化学活性材料配置为在锂离子电池的循环过程中接受和释放锂离子，其中所述纳米结构化模板促进去往和来自电化学活性材料的电流的传导且为电化学活性材料层提供支撑。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：G·E·洛夫尼斯，W·S·德尔哈根，R·法兴，韩松，刘祖琴，
申请(专利权)人：安普雷斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US