用于高能量阳极材料的耐应变颗粒结构及其合成方法技术

本文公开了耐应变颗粒结构、制造这样的结构的方法和形成所述结构的前体的实施方案。在一些实施方案中，所述结构可以由纳米尺度壁的网络形成。可以将所述结构并入粉末中，其随后可以用于许多应用，例如微波等离子体加工。例如微波等离子体加工。例如微波等离子体加工。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高能量阳极材料的耐应变颗粒结构及其合成方法
[0001]通过引用并入任何优先权申请本申请在35 U.S.C.
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119(c)下要求2019年9月6日提交的美国临时专利申请号62/897,071的权益，其在37 C.F.R.
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1.57下通过引用以其整体并入本文。在本申请提交的申请数据表中确定国外或国内优先权要求的任何和所有申请在37 CFR 1.57下通过引用并入本文。

技术介绍


[0002]在一些实施方案中，本公开一般性涉及粉末、结构、前体以及制造所述粉末和结构以形成耐应变材料的方法。
[0003]相关技术的描述合金型阳极材料(其包括Si、SiO和Sn合金)已经成为20年来深入研究的领域。这类材料的优点是与基于碳(主要是石墨)的常规阳极材料相比，锂(Li)储存容量(或简单地，容量)大大增加，与典型的商业石墨阳极相比，在Si的情况下增加多达10倍。然而，它们作为石墨的完全替代物的采用已经受到非常差的循环寿命的阻碍。硅(Si)在完全锂化时经历300%的体积增加，并且在随后的脱锂时经历300%的体积减少。这种大体积循环导致Si颗粒的机械损伤，这导致材料断开、与电解质反应并在钝化时消耗锂的新鲜表面，以及因此在最差情况下在少至几个循环中的容量损失和阻抗增长。结果是，合金阳极在商业上被限制为非常细的合金颗粒与石墨的共混物，通常小于总活性材料的10%。通过生产合金阳极的纳米结构(例如Si纳米棒的阵列、蚀刻第二相以留下纳米结构化的膜)已经看到有希望的循环寿命改进，但是这些限于薄膜结构和气相沉积方法，其既不经济有效也不与现有的锂离子生产设备相容。

技术实现思路

[0004]本文公开了耐应变颗粒的实施方案，其包含：围绕多个空隙的多个壁，所述壁在所述颗粒总体积的10%至90%之间；和Si、Si一氧化物、Sn或Sn氧化物；其中所述颗粒被构造为在锂化和脱锂期间保持在50体积%内。
[0005]在一些实施方案中，所述多个空隙是闭孔。在一些实施方案中，所述多个空隙是开孔。在一些实施方案中，所述多个空隙是闭孔和开孔的混合物。在一些实施方案中，所述多个壁在所述颗粒总体积的20%至50%之间。在一些实施方案中，所述多个壁的厚度在50
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150 nm之间。在一些实施方案中，所述颗粒涂布有碳。在一些实施方案中，所述颗粒被构造为在锂化和脱锂期间保持在10体积%内。在一些实施方案中，所述颗粒进一步包含过渡金属。在一些实施方案中，所述颗粒包含聚二甲基硅氧烷。在一些实施方案中，所述颗粒包含二苯基硅氧烷。
[0006]本文还公开了由多个所述耐应变颗粒形成的粉末的实施方案。在一些实施方案
中，所述粉末的D50位于0.2
‑
100 μm之间。
[0007]本文还公开了由所述耐应变颗粒形成的阳极的实施方案。本文还公开了由所述阳极形成的电池。
[0008]本文还公开了制造耐应变粉末的方法的实施方案，所述方法包括：制备前体材料，所述前体材料包括Si、Si一氧化物、Sn或Sn氧化物材料和生产气体的组分；由所述前体材料形成液滴；和使所述液滴在微波等离子体炬的等离子体或等离子体排气中相互作用，以由所述组分生产气体并形成多个颗粒的粉末；其中所述前体材料被构造为防止在合成期间形成的气泡聚结和/或逸出；和其中所述粉末中的所述颗粒被构造为在锂化和脱锂期间保持在50体积%内。
[0009]在一些实施方案中，所述前体材料的粘度在3
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500 cS之间。在一些实施方案中，所述多个颗粒包括碳涂层。在一些实施方案中，所述多个颗粒包括Al2O3涂层。
[0010]本文还公开了耐应变颗粒的实施方案，所述耐应变颗粒包含：组合物，其包含：硅、锡或硅和锡的组合；过渡金属；和二氧化硅；和围绕多个空隙的多个壁，所述壁在所述颗粒总体积的10%至90%之间；其中所述颗粒被构造为在锂化和脱锂期间保持在50体积%内。
附图说明
[0011]图1A
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1D说明在富氧微波等离子体中使用50 cS聚二甲氧基硅烷(硅油)生产的具有整体孔隙率和“泡沫”颗粒形态的细SiO壁结构的SiO粉末的实施方案。
[0012]图2说明闭孔构造的实例。
[0013]图3说明开孔构造的实例。
[0014]图4说明图1A的粉末的电化学结果，显示超过1000 mAh/g的第一充电容量。
[0015]图5说明根据本公开的生产粉末的方法的实例实施方案。
[0016]图6说明根据本公开的，可以用于生产粉末的微波等离子体炬的实施方案。
[0017]图7A
‑
7B说明根据本公开的侧进料料斗的，可以用于生产粉末的微波等离子体炬的实施方案。
具体实施方式
[0018]本文公开了用于形成多孔耐应变材料的方法、粉末/颗粒、结构和前体以及并入所述材料的装置的实施方案。所述材料可以是用于耐应变合金型阳极的多孔颗粒结构的粉末。如本文所公开的，所述粉末可以通过在等离子体炬(例如微波等离子体炬)中加工某些前体或其它加工方法来形成。所述加工可以包括将前体进料至微波等离子体炬、微波等离子体炬的等离子体羽流和/或微波等离子体炬的排气中。位置可以根据所用原料的类型而变化。此外，可以基于不同的要求来选择前体。要求的实例是纵横比、粒度分布(PSD)、化学性质、密度、直径、球形度、氧合作用和孔径。在一些实施方案中，可以使用基于有机硅或二氧化硅的材料。在一些实施方案中，硅、过渡金属和/或二氧化硅可以用于形成本文所讨论的材料。
[0019]具体地，本文公开了由形成多孔“泡沫”颗粒的合金阳极基储存材料的纳米尺度“壁”的网络组成的微米尺度颗粒结构的实施方案。这些颗粒结构可以形成粉末，其可以并入阳极的形成，例如用于电池。
[0020]这样的结构的实例示于图1A
‑
1D中。如所示的，粉末颗粒由围绕颗粒内的空隙的多个壁形成。组成该泡沫的空隙或“气泡”的壁具有最窄尺寸在10
‑
100纳米范围的特征尺寸(例如，“壁厚度”)。因此，这些泡沫颗粒可以分成固相和气体/空隙相的共混物。固相可以在颗粒总体积的10
‑
90%之间，留下剩余的为空隙。
[0021]所公开的颗粒可以有利地具有可以适应与锂化/脱锂相关的高应变的尺寸尺度。例如，结构内的空隙体积(例如，壁之间的空间)可以适应壁的膨胀而没有显著的损坏，并且没有大的总体粒度变化。这是确保阳极电极中的颗粒保持彼此接触以及与集流体接触以保持电连续性的有利特性。此外，膨胀适应允许电化学装置不必适应电极中的巨大厚度变化，这对装置尺寸、复杂性、热管理等具有影响。另外，以粉末形态生产这些结构的能力意味着该材料不限于薄膜结构，并且可以在现有的生产设备上用作石墨粉的立即使用的替代物。
[0022]在一些实施方案中，泡沫结构主要是闭孔结构，如在图2中所示，这意味着空隙不暴露于每个颗粒的表面。在电化学装置中，可以在阳极材料的所有暴露的表面上形成钝化层，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.耐应变颗粒，其包含：围绕多个空隙的多个壁，所述壁在所述颗粒总体积的10%至90%之间；和Si、Si一氧化物、Sn或Sn氧化物；其中所述颗粒被构造为在锂化和脱锂期间保持在50体积%内。2.权利要求1所述的颗粒，其中所述多个空隙是闭孔。3.权利要求1所述的颗粒，其中所述多个空隙是开孔。4.权利要求1所述的颗粒，其中所述多个空隙是闭孔和开孔的混合物。5.权利要求1
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4中任一项所述的颗粒，其中所述多个壁在所述颗粒总体积的20%至50%之间。6.权利要求1
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5中任一项所述的颗粒，其中所述多个壁的厚度在50
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150 nm之间。7.权利要求1
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6中任一项所述的颗粒，其中所述颗粒涂布有碳。8.权利要求1
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7中任一项所述的颗粒，其中所述颗粒被构造为在锂化和脱锂期间保持在10体积%内。9.权利要求1
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8中任一项所述的颗粒，其中所述颗粒进一步包含过渡金属。10.权利要求1
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9所述的颗粒，其中所述颗粒包含聚二甲基硅氧烷。11.权利要求1
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9所述的颗粒，其中所述颗粒包含二苯基硅氧烷。12.粉末，其由多个权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：六K有限公司，
类型：发明
国别省市：