制备用于电极制作的含金属和活性电池材料的颗粒的方法技术

一种制备用于锂离子电化学电芯的电极材料的方法，包括在常压等离子体中溅射金属线或金属合金线以产生活化的金属颗粒或金属合金颗粒，并且使所述活化的金属颗粒或金属合金颗粒与锂离子电芯活性电极材料的颗粒接触以产生复合颗粒，其中所述锂离子电芯活性电极材料的颗粒粘附到所述金属颗粒或金属合金颗粒上。的颗粒粘附到所述金属颗粒或金属合金颗粒上。的颗粒粘附到所述金属颗粒或金属合金颗粒上。

【技术实现步骤摘要】
制备用于电极制作的含金属和活性电池材料的颗粒的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年3月13日提交的美国临时专利申请号62/989,132的权益，该申请的全部内容通过引用纳入本文。


[0003]本说明书涉及制备用于锂离子电芯的电极的材料的方法，以及使用这种材料制备的电极、锂离子电芯(cell)和电池(battery)。

技术介绍

[0004]本部分提供有助于理解本专利技术的信息，但不一定是现有技术。
[0005]锂离子电池电芯的组件在为机动车辆提供动力方面有越来越多的应用。取决于电芯中电极材料的组成和量，电池的每个锂离子电芯可以提供约三伏特到四伏特的电势和直流电流。锂离子电池电芯可以经过多个循环的放电和再充电。电池通过并联电连接和串联电连接的组合将合适数量的单个电芯组合来组装，以满足电动车辆的电机的电压和电流需求。组装的电池可以例如具有大约三百个独立包装的电芯，所述电芯被电互连以向电力牵引电动机提供四十伏特到四百伏特和足够的电力来驱动车辆。
[0006]每个锂离子电芯通常包括负电极层(在电芯放电期间为阳极)、正电极层(在电芯放电期间为阴极)、置于平行的面对的电极层之间面对面接触的薄的多孔分隔层、填充分隔物的孔并且与电极层的面对表面接触以便在重复的电芯放电和再充电循环过程中转运锂离子的液体含锂电解液以及金属集流体的薄层。在另一种布置中，正电极层和负电极层可以由固体聚电解质层分开。因为电池组需要如此大量的锂离子电芯，以向电力牵引电机提供足够的电力以驱动车辆，所以高效、高质量的生产方法是关键的商业考虑因素。
[0007]当前的生产方法具有几个缺点。通过在溶剂体系中将包含电极材料和聚合物粘合剂的液体涂料组合物铺展到用作电极的集流体的薄箔的一侧或两侧上来制备电极。因此，相应的电极通过将相应的粘合剂和活性颗粒材料的混合物分散在合适的液体中，并将湿混合物作为厚度受控的涂层沉积在集流体箔的表面上来制备。然后必须将沉积的涂层干燥，(例如，在烘箱中)，以除去溶剂，然后压制在压延辊之间以将树脂粘合的电极颗粒固定到其各自的集流体表面。该方法在涂覆涂层过程中将材料浪费为废料，在干燥步骤中产生受控的排放，并且需要空间和高能量输入用于干燥烘箱。此外，使用聚合物粘合剂会降低电极的导电性。
[0008]在所述基本方法的一种变型中，Yu的国际申请(PCT)公开文本WO2016/082120描述了使用常压等离子体喷涂装置在表面上形成电极颗粒的多孔层，该公开文本的全部内容通过引用纳入本文。然后使用非等离子体喷涂装置将聚合物粘合剂材料的水溶液喷涂到所述多孔层上。水蒸发并且所述聚合物粘合剂将所述颗粒粘合在一起并粘附于所述表面。
[0009]Deng等人的美国专利申请公开文本2017/0301958(该公开文本的全部内容通过引用纳入本文)描述了通过化学镀或浸渍用较小的导电金属颗粒涂覆非金属锂接受和释放的
材料的颗粒。例如，水性金属盐溶液与阳离子络合物形成剂如EDTA结合。所述络合物被去稳定化并化学还原以在阳极材料例如钛酸锂上沉积亚微米元素铜颗粒。在另一个实例中，将溶解在乙醇中的金属盐涂覆在活性电极材料的颗粒上。将所述溶剂蒸发，然后将金属盐涂覆的颗粒在空气中退火以形成金属氧化物颗粒，然后在氢中还原成元素金属。一旦获得，就可以在制备锂离子电芯中通过常压等离子体喷涂在基底上沉积带有较小金属颗粒的活性电极颗粒。
[0010]Ihde等人的美国专利申请公开文本2012/0261391(该公开文本的全部内容通过引用纳入本文)公开了一种在常压等离子体中产生表面改性的颗粒的方法，其中电极之一是溅射电极，该电极由于工艺气体中电极之间的放电而溅射所述颗粒。将所述表面改性的颗粒沉积到聚合物材料中以制备含有所述金属颗粒的聚合物涂层。
[0011]仍然需要一种用金属线的溅射颗粒可靠地修饰电池电极材料颗粒的表面的简单且具有成本效益的方法，用于制备锂离子电池电极。

技术实现思路

[0012]通过本公开的方法满足了这一需求，其中将金属线或金属合线插入气体的常压等离子体流中以从所述线溅射金属颗粒或金属合金颗粒(下文中称为“溅射的金属颗粒”)，并且所述溅射的金属颗粒在相同的常压等离子体流中与至少一种锂离子电芯活性电极材料的颗粒接触并粘附，以产生所述金属和所述活性电极材料的复合颗粒。因为金属颗粒表面被常压等离子体活化，所述溅射的金属颗粒和活性电极材料颗粒被认为是粘附的。所述方法中可以使用多种不同的活性电极材料的颗粒，并且可以将所述不同活性电极材料的颗粒分别地或混合地引入以与溅射的金属颗粒或溅射的金属合金颗粒接触，并且一种以上类型的金属线或金属合金线可以被溅射。将所述复合颗粒制作成锂离子电芯的电极部分；将所述电极部分与其他部分结合以制备锂离子电芯；将多个锂离子电芯组合以制备锂离子电池。
[0013]对于活性电极材料是在锂化和脱锂化过程中经历过多体积变化的活性阳极材料的实施方案，例如含硅的或含锡的阳极材料，所述活性阳极材料颗粒小于所述溅射的金属颗粒，通常至少比所述溅射的金属颗粒小一个数量级。在多个实施方案中，所述溅射的金属颗粒的平均颗粒尺寸可以是所述活性阳极材料颗粒的平均颗粒尺寸大约10倍至约1000倍，所述活性阳极材料颗粒可以是例如硅颗粒或氧化硅颗粒。对于所述活性电极材料是活性阴极材料的实施方案，所述活性阴极材料颗粒通常至少与它们在常压等离子体流中结合的溅射金属颗粒一样大，并且可以大得多。在多个实施方案中，所述活性阴极材料颗粒的平均颗粒尺寸可以为与溅射金属颗粒的平均颗粒尺寸约相同的尺寸至大约1000倍的尺寸。在多个实施方案中，所述溅射的金属颗粒可以为约1纳米至约1微米或者约1纳米至约100纳米，并且所述活性阴极材料的平均颗粒尺寸可以为约1微米至约20微米或者可以为约5微米至约10微米。
[0014]在多个实施方案中，将多根金属线(每根金属线独立地选自金属和金属合金)插入到常压等离子体中并溅射，以产生所选金属颗粒或金属合金颗粒，其中至少一些所述颗粒与在相同的等离子体流中的至少一种活性电极材料的颗粒接触并形成复合颗粒，其中所述金属颗粒或金属合金颗粒与所述至少一种活性电极材料的颗粒粘附在一起。可以使用多种
不同的活性电极材料的颗粒，并且可以将所述不同的活性电极材料的颗粒分别地或混合地引入常压等离子体流中，以接触所选金属或金属合金的溅射颗粒。
[0015]可以将复合颗粒以层状施加在多孔聚合物分隔层上、固体电解质层上或集流体上，以通过常压等离子体沉积制备电极部分，并且任选地，所述复合颗粒可以与来自相同的或分开的等离子体喷嘴的常压等离子体沉积物施加的其他颗粒材料共沉积。
[0016]常压等离子体(也称为大气压等离子体或常压等离子体)是一种冷等离子体或非热等离子体，其中压力大约对应于大气压。常压等离子体步骤于小于约3500℃的温度或小于约2000℃的温度进行。相比之下，热等离子体通常采用15,000℃或更高的温度。
[0017]所公开的制备用于锂离子电池电极的复合颗粒的方法提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备用于锂离子电化学电芯的电极材料的方法，包括：在常压等离子体中，溅射金属线或金属合金线以产生活化的金属颗粒或金属合金颗粒，并且使所述活化的金属颗粒或金属合金颗粒与锂离子电芯活性电极材料的颗粒接触以产生复合颗粒，其中所述锂离子电芯活性电极材料的颗粒粘附到所述金属颗粒或金属合金颗粒上。2.根据权利要求1的方法，还包括在旋风分离器中收集所述复合颗粒。3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其中所述金属或金属合金选自铝、铟、铊、钛、锆、铪、镍、钯、铂、银、金及其合金，并且所述锂离子电芯活性电极材料是活性阴极材料。4.根据权利要求1或权利要求2的方法，其中所述金属或金属合金选自锂、铜、锡、银、金、镍、钯、铂及其合金，并且所述锂离子电芯活性电极材料是活性阳极材料。5.根据权利要求1
‑
4任一项的方法，其中在所述常压等离子体中溅射多根金属线，每根金属线独立地选自金属和金属合金，以产生所述活...

【专利技术属性】
技术研发人员：X，
申请(专利权)人：英特赛尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：