【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种表面涂覆的硅碳复合材料，其包含多孔碳支架，该多孔碳支架包含具有孔体积的微孔和中孔。此外，本公开涉及一种用于制造表面涂覆的硅碳复合材料的方法、阳极电极和电化学储能装置。
技术介绍
1、锂离子电池被广泛使用，并为不同的部件提供储存的能量。尤其是在电动汽车和混合动力汽车中，这种锂离子电池为汽车部件和动力传动系统提供电能。在这种应用场景下，非常希望获得较长的电动行驶距离，而这可以通过增加电池的容量来实现。可以通过增加电极的表面积来增加电池的容量。这可以通过更复杂的表面结构来实现。已知多种用硅碳涂覆阳极的至少一个集流体的方法，以增加可逆地锂嵌入的面积和参与充电和放电过程的锂离子数量。这种复杂的表面结构和涂层可能容易与环境中的化合物(例如，在制造锂离子电池单元期间)发生化学反应。尤其是在锂离子电池单元的电解液的填充过程中，阳极的某些部分及其表面结构可能会意外地暴露于有害物质(例如氧化性物质)。
技术实现思路
1、本公开的目的在于提供改善的化学稳定性的硅碳复合材料和制造化学稳定性改善的硅碳复合材料的方法。该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中提供了独立权利要求主题的进一步改进。
2、根据本公开的一个方面，公开了一种硅碳复合材料。这种硅碳复合材料可用于阳极电极，并因此可用于电化学储能装置，例如锂离子电池单元或锂离子电池。
3、硅碳复合材料包含多孔碳支架，该多孔碳支架具有微孔和中孔，并且总孔体积大于0.5cm3/g。
4、此外，硅碳复合材
5、硅碳复合材料具有在30％与70％之间(包括30％和70％)的硅含量，以及至少部分地涂覆第一表面涂层的表面区域。硅碳复合材料表面区域的表面涂层包含li、b、al、si、p、ti、zr、nb和/或w中的至少一种元素。本申请中提及的百分比可以是相对于硅碳复合材料的重量百分比或体积百分比。
6、在本专利技术的另一方面，提供了一种阳极电极，其包含表面涂覆的硅碳材料。阳极电极优选包含金属部件，例如金属箔。硅碳复合材料可以在作为集流体的金属部件的一侧或两侧上提供，以改善阳极电极的电气特性。
7、根据本专利技术的另一方面，硅碳复合材料可以例如包含在不与金属部件接触的表面区域上的至少一个表面涂层。
8、通过提供至少一个表面涂层(例如第一表面涂层)，涂覆的硅碳复合材料的化学和机械稳定性以及具有这种材料的阳极电极的化学和机械稳定性得到改善。尤其是，可以通过化学气相沉积(如原子层沉积工艺)施加表面涂层。这种表面涂层也可以施加到具有复杂或不均匀表面几何形状的硅碳复合材料上。
9、当至少部分施加的第一表面涂层形成为具有0.1nm至1μm的厚度的层时，用于可逆地锂嵌入的锂离子可以绕过第一表面涂层，而不会显著降低相应的动力学。
10、根据另一个实施方式，第一表面涂层包含由元素b、al、si、zr、nb、w和/或li中的至少一种或多种形成的金属氧化物。例如，合适的金属氧化物可形成为al2o3和/或lialo2。
11、在另一个实施方式中，合适的金属氧化物可形成为zro2或/和li2zro3，或al2o3、zro2以及混合的氧化铝锂和氧化锆锂的混合物。
12、合适的表面涂层可以通过以下步骤施加：在100℃至450℃之间的温度下，通过三甲基铝和水或氧气的原子层沉积(ald)工艺(随后进行两个或更多个ald循环)，随后可选地使所得的氧化铝和氢氧化铝与锂化合物(如li-n(sime3)2)进行化学反应以形成锂化金属氧化物。这种涂层还可以与热暴露结合应用和/或与催化剂结合应用。在另一个实施方式中，可以通过将金属氧化物化合物(al2o3、zr(oh)4、zro(oh)2)与锂化合物混合，随后在高于200℃的温度下进行热处理步骤，来施加表面涂层。
13、在另一个实施方式中，第一表面涂层覆盖硅碳复合材料的表面积的至少50％。因此，硅碳复合材料的大部分表面区域可受到第一表面涂层的保护。
14、当硅碳复合材料的表面区域至少部分地被第一表面涂层覆盖并且至少部分地被第二表面涂层覆盖时，硅碳复合材料可以具有额外的保护。优选地，第二表面涂层至少部分地施加在第一表面涂层的上方和/或施加在第一表面涂层的旁边。第二表面涂层能够提供对硅碳复合材料的化学和机械稳定性的额外控制。
15、基于硅碳复合材料的一个实施方式，第二表面涂层形成为碳涂层。当在电极中使用硅碳复合材料时，这种第二表面涂层可以导致硅碳复合材料在第二表面涂层与集流体或金属之间的过渡区域中的电阻降低。此外，这种第二表面涂层可增加硅碳复合材料层内的电导率。在另一个实施方式中，可以应用额外的步骤，以通过在120℃与250℃之间的升高的温度下用干燥气氛(o2、n2或它们的混合物)冲洗硅碳复合材料来进一步钝化表面区域或硅碳复合材料。
16、在硅碳复合材料的另一个实施方式中，硅碳复合材料具有在2m2/g至30m2/g的范围内，更优选在4m2/g至10m2/g的范围内的表面积。2m2/g、30m2/g、4m2/g和10m2/g的适当边界也可以形成所限定的范围的一部分。因此，第一表面涂层和/或第二表面涂层可以有效地施加到由于其多孔碳支架而具有增加的表面积的硅碳复合材料上。
17、基于硅碳复合材料的另一个实施方式，硅碳复合材料包含锂。此外，第一表面涂层还可以包含形成为金属氧化物的锂。例如，第一表面涂层可以包含由li形成的金属氧化物，尤其是除al2o3之外还包含由li形成的金属氧化物。尤其优选的是，第一表面涂层可以包含al2o3、alo(oh)和lialo2的混合物，其可以在电解质与硅碳复合材料之间的可逆地锂嵌入期间充当锂离子的通道。因此，可以改善锂离子通过第一表面涂层和/或第二表面涂层的动力学。
18、根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于制造表面涂覆的硅碳复合材料的方法。在方法步骤中，提供了具有微孔和中孔的多孔碳支架。通过化学气相渗透将si和可选的至少一种另外的化合物(其包含fe、al、ni、w和/或ti中的至少一种)引入到多孔碳支架的微孔和中孔中，形成硅碳复合物。在硅碳复合物的表面区域上施加至少一个表面涂层，形成表面涂覆的硅碳复合材料，其中至少一个表面涂层包含氧化铝或氧化锆并且至少部分地覆盖硅碳复合材料的表面区域。
19、通过提供包含氧化铝或氧化锆的表面涂层，可以保护硅碳复合材料免受不期望的化学反应(如不受控制的氧化过程)的影响。尤其是，在制造电池单元或电化学储能装置时，由于至少部分表面涂层，包含表面涂覆的硅碳复合材料的电极将提供改善的化学稳定性并降低发生不需要的化学反应的可能性。
20、在一个实施方式中，硅碳复合材料的表面区域的至少一个表面涂层通过气相沉积法施加。因此，可以进行如原子层沉积或分子层沉积等的方法，以提供具有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅碳复合材料(10、11)，包含：
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其中，所述至少部分施加的第一表面涂层(11)形成为层，表面涂层的层具有0.1nm至1μm的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其中，所述第一表面涂层(11)包含由元素B、Al、Si、Zr、Nb、W和Li中的至少一种或多种形成的金属氧化物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述第一表面涂层(11)包含由Li形成的金属氧化物，尤其是除Al2O3之外还包含由Li形成的金属氧化物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述第一表面涂层(11)覆盖所述硅碳复合材料(10)的表面积的至少50％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料(10)的表面区域至少部分地被所述第一表面涂层(11)和第二表面涂层(12)覆盖，其中所述第二表面涂层(12)至少部分地施加在所述第一表面涂层(11)的顶部上和/或所述第一表面涂层(11)旁边。
7.根据权利要求6所述的
8.根据权利要求1至7中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料(10)具有在2m2/g至30m2/g的范围内，尤其是在4m2/g至10m2/g的范围内的表面积。
9.根据权利要求1至权利要求8所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料(10)包含锂。
10.一种用于制造权利要求1至9中任一项所述的表面涂覆的硅碳复合材料(10)的方法(1)，包括：
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述硅碳复合材料的表面区域的所述至少一个表面涂层(11、12)通过气相沉积法施加。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，用金属醇盐或金属酰胺或烷基金属化合物处理所述至少一个表面涂层，以形成经加工的化合物表面；其中用水分或氧气或臭氧处理所述经加工的化合物表面，以形成至少一层第一表面涂层(11)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述硅碳复合材料(10)的表面区域的第一表面涂层(11)和/或所述硅碳复合材料(10)由锂形成。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所述硅碳复合材料(10)的表面区域的第一表面涂层(11)包含由元素B、Al、Si、Zr、Nb、W和/或Li中的至少一种形成的金属氧化物。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，在所述硅碳复合材料的表面涂层区域的所述第一表面涂层(11)的形成期间，对所述硅碳复合材料(10)和所述第一表面涂层(11)施加15℃至550℃范围内的温度。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，用金属醇盐或金属酰胺或烷基金属化合物处理所述硅碳复合材料(11)以形成经加工的化合物表面，以及用水分或氧气或臭氧处理所述经加工的化合物表面至少重复一次。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，在用水分或氧气或臭氧处理所述经加工的化合物期间，施加15℃至550℃范围内的温度。
18.一种阳极电极(110)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的具有至少一个表面涂层(11、12)的表面涂覆的硅碳材料(10)。
19.用于制造至少一个根据权利要求18所述的阳极电极(110)的方法，包括：
20.用于制造至少一个根据权利要求18所述的阳极电极(110)的方法，包括：
21.一种电化学储能装置(100)，尤其是形成为锂离子电池，包括：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种硅碳复合材料(10、11)，包含：
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其中，所述至少部分施加的第一表面涂层(11)形成为层，表面涂层的层具有0.1nm至1μm的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其中，所述第一表面涂层(11)包含由元素b、al、si、zr、nb、w和li中的至少一种或多种形成的金属氧化物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述第一表面涂层(11)包含由li形成的金属氧化物，尤其是除al2o3之外还包含由li形成的金属氧化物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述第一表面涂层(11)覆盖所述硅碳复合材料(10)的表面积的至少50％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料(10)的表面区域至少部分地被所述第一表面涂层(11)和第二表面涂层(12)覆盖，其中所述第二表面涂层(12)至少部分地施加在所述第一表面涂层(11)的顶部上和/或所述第一表面涂层(11)旁边。
7.根据权利要求6所述的硅碳复合材料，其中，所述第二表面涂层(12)形成为碳涂层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料(10)具有在2m2/g至30m2/g的范围内，尤其是在4m2/g至10m2/g的范围内的表面积。
9.根据权利要求1至权利要求8所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料(10)包含锂。
10.一种用于制造权利要求1至9中任一项所述的表面涂覆的硅碳复合材料(10)的方法(1)，包括：
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述硅碳复合材料的表面区域的所述至少一个表面涂层(11、12)通过气相沉积法施加。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：海诺·萨默，亨利·R·科斯坦蒂诺，
申请(专利权)人：塞尔福斯集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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