具有纳米结构电极的锂离子电池及相关制备方法技术

本发明专利技术公开了一些实施方案，其涉及具有纳米结构体电极的锂离子电池、这种纳米结构体的组成、以及制造这种电极的相关方法。在一个实施方案中，用于制备适用于锂离子电池的负极的方法包括准备基底材料表面和通过不使用模板的电沉积，在所述基底材料表面上形成多个导电的纳米结构体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及锂离子电池。特别是，本公开涉及具有带锡(Sn)纳米结构体的电极的锂离子电池以及用于制备这种纳米结构体的相关的组合物以及方法。
技术介绍
由于其能量对重量的比率高、记忆效应很少或没有、以及当不使用时的长时间的电荷保持能力，锂离子电池通常用在电子设备消费品中。除了在电子设备消费品中的应用， 在国防、汽车和航天应用中锂离子电池也日益普及。这些新的应用产生了对于改善锂离子电池能量密度的持续需求。常规的锂离子电池典型地具有碳基负极(anode)。但是，碳基负极倾向于限制锂离子电池的充电容量。例如，碳基负极的锂化能够产生的充电容量约为372mA h/g，而锡(Sn)的锂化能够产生的充电容量为约990mA h/g，且硅(Si)的锂化能够产生的充电容量为约4，200mA* h/g。不过，已知在锡和硅两者中锂的锂化(也可以称之为“嵌入”)伴随着约300%的体积改变。作为结果，在几次充-放电循环之后，锡基或硅基负极将变得粉碎，且因此将降低锂离子电池的充电容量。因此，需要在锂离子电池的设计和构造中进行一定的改良。附图简述图IA是依照本技术的实施方案锂离子电池放电期间的示意图。图IB是依照本技术的实施方案锂离子电池充电期间的示意图。图2是示出了依照本技术的实施方案适用于图IA和IB的锂离子电池的负极的制备方法的流程图。图3是根据依照本技术的实施方案的图2所示方法的若干实施方案而制成的样品的扫描电子显微镜(SEM)图像。图4是根据依照本技术的实施方案的图2所示方法的若干实施方案而制成的样品的另一个SEM图像。图5是根据依照本技术的实施方案的图2所示方法的若干实施方案而制成的样品的合成的透射电子显微镜(TEM)图像。图6是依照本技术的实施方案测试期间形成的锂离子电池的透视图。图7是根据依照本技术的实施方案的图2所示方法的若干实施方案而制成的样品的放电容量对放电循环次数的图。图8不出了依照本技术的实施方案标有电镀温度的样品的反射率的一系列高分辨率照片。图9示出了依照本技术的实施方案在不同温度电镀的样品的SEM图像。附图说明图10示出了依照本技术的实施方案在一个70°C样品中形成的金字塔形突起的SEM图像及示意图。图11是根据图2所示方法的若干实施方案而制成的样品在经历充/放电循环之前的SEM图像。图12是图11中的样品在经历100次充/放电循环之后的SEM图像。图13A是图11中的样品的纳米针的TEM图像。图13B是图13A中的纳米针在100次充/放电循环之后的TEM图像。图14示意性地说明了图2中的样品中的纳米针的形成方法的各阶段。 图15A-E是正在经历图14的各阶段的试样的SEM图像。专利技术详述本文描述电池系统、装置及相关的制备方法。特别是，若干实施方案涉及具有纳米结构体电极的锂离子电池、这种纳米结构体的组合物以及制备这种电极的相关方法。以一种足以使得本领域技术人员能够实施、执行和使用它们的方式，提供若干下文陈述的细节以描述以下实施方案和方法。不过，下文所描述的一些细节和优点，对于实施本技术的特定实施方案和方法可能不是必要的。此外，本技术可以包括其它属于本公开的范围但并未具体描述的实施方案和方法。图IA是锂离子电池100在放电期间的示意图，而图IB是依照本技术的实施方案锂离子电池100在充电期间的示意图。如图IA和IB所示，锂离子电池100可以包括装有负极104、正极(cathode) 106、电解质108以及在电解质108中的任选的膜110的容器102。即使在图IA和IB中仅图示了特定的组件，但在其它实施方案中，锂离子电池100也可以包括绝缘体、垫圈、排气孔、和/或其它适合的组件(未示出)。在另外的实施方案中，可以省略膜110。在特定实施方案中，负极104可以包括多个一维锡纳米结构体，例如，覆盖负极104的1%以上的锡纳米针。当在下文中使用时，措辞“纳米针”通常指具有大体上恒定的截面积或沿其长度的至少一部分渐缩的一维纳米结构体。根据本技术制备的纳米针的典型尺寸为长度约2 ii m至约5 V- m、尖端宽度约20nm至约50nm、且底部宽度约50nm至约200nm。在其它合适的应用中，所述纳米针还可以具有不同于前述尺寸的其它合适的尺寸。这种锡纳米针的实例示于图3和4中。在特定的实施方案中，可以通过在低于约50°C的温度、在环境大气中、不使用任何模板进行电沉积，而制备所述锡纳米针，正如在下文中参照实施例段落更详细地讨论的一样。在其它实施方案中，负极104也可以包括多个纳米线、纳米弹簧、纳米纤维、和/或其它合适的一维或多维的由锌(Zn)、钯(Pd)、锡-铜合金、锌-铜合金、锡-金合金、锡-银合金、和/或其它合适的材料构成的纳米结构体。正极106可以由层状的氧化物(例如氧化锂钴(LiCoO2))、聚阴离子(例如磷酸锂铁(LiFePO4))或尖晶石(氧化锂锰(LiMn2O4))构成。其它适合用于正极106的材料可以包括氧化锂镍(LiNiO2)、氟化磷酸锂铁(Li2FePO4F)、氧化锂钴镍锰(LiCo1/3Ni1/3Mn1/302)、Li (LiaNixMnyCoz)O2和/或其它合适的正极材料。在特定的实施方案中，电解质108可以包括有机碳酸酯如含有锂离子配合物的碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯的非水性溶液。电解质108可以含有非配位阴离子盐如LiPF6、LiAsF6、LiC104、LiBF4、和三氟甲磺酸锂(lithium triflate)。在其它实施方案中，电解质108也可以包括水性的和/或部分水性的锂盐的和/或其它合适组成的溶液。如图IA中所示，在放电期间，锂离子112从负极104抽出，并通过电解质108向正极106移动。锂离子112穿过任选的膜110并嵌入正极106。作为结果，电流114从正极106流出，经过负载116流至负极104。如图IB中所示，在充电期间，充电器118向正极106提供充电电流120。该充电电流120导致锂离子112从正极106被抽出，并向负极104移动。锂离子112穿过任选的膜110并嵌入正极106。锂离子电池100的一些实施方案可以比常规装置具有更高的充电容量。例如，如上文讨论的，常规的具有碳基负极的锂离子可以具有的充电容量为约372mA h/g，而锂离子电池100的一些实施方案可以具有的充电容量为约990mA h/g。作为结果，当与常规的锂离子电池相比时，锂离子电池100的充电容量可被改善。锂离子电池100的负极104的一些实施方案可以具有改良的充/放电循环能力。不限于理论，据信负极104的一些实施方案可以适应与锂嵌入有关的大的体积改变，因为一维纳米结构体通常是独立式的。作为结果，这些独立式结构可以在锂嵌入中溶胀，而整体上不引起粉碎和/或对负极104的其它结构损坏。事实上，已经观察到，具有负极104的若干实施方案的锂离子电池对于大量充/放电循环保持了甚至是提高了充电容量。例如，在50 u A的恒定电流以及400mA/g的高充/放电速率时，在25次循环中保持充电容量为约300-400mA h/g。甚至更令人惊讶的是，实际上在循环性能试验中，充电容量是上升的，正如在下文中参照实施例段落更详细地讨论的一样。图2是示出了依照本技术的实施方案适用于图IA和IB的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·格兰特·诺顿，乌塔勒·萨海姆，
申请(专利权)人：华盛顿州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：