含有约束在壳内的高容量多孔活性材料的复合结构体制造技术

提供的是含有成型为多孔基础结构体的高容量活性材料的新型电极材料复合结构体。该结构体还包括包封这些多孔基础结构体的壳。在活性材料的锂化过程中，该壳机械约束该多孔基础结构体。该壳允许锂离子通过，但是防止电解质溶剂与包封的活性材料相互作用。在某些实施方案中，该壳含有碳，而该多孔基础结构体含有硅。尽管硅倾向于在锂化过程中膨胀，但该基础结构体的孔隙率和/或在该壳内部空隙空间的可用性有助于容纳在该壳内的附加体积，而不会破坏该壳或显著增加整个电极材料复合结构体的整体尺寸。这使得该复合结构体能够结合到各种类型的蓄电池电极和循环高容量活性材料中，而不会破坏该电极的内部结构和劣化蓄电池的循环特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含有约束在壳内的高容量多孔活性材料的复合结构体相关申请的交叉引用本申请要求2010 年 10 月 22 日提交的题为“COMPOSITE STRUCTURES CONTAINTINGHIGH CAPACITY POROUS ACTIVE MATERIALS CONSTRAINED IN SHELLS”的美国临时专利申请号61/406，049 (代理人案卷号AMPRP018P)的35U.S.C.§ 119(e)的权益，其内容通过引用以全文并入本文。
技术介绍
高容量可再充电电化学电池的商业需求强劲。许多领域，如航空航天、医疗设备、便携式电子产品和汽车将受益于具有更高的重量比容量和/或体积比容量的电池。锂离子技术已经在这方面提供了极大的改善。但是，时至今日，该技术主要受限于低容量石墨基负电极。石墨在锂化过程中的理论容量仅为372毫安/克，其实际容量甚至更低。已经因其高锂化容量而提出了硅、锗、锡和许多其它材料作为石墨的替代品或添加剂。例如，硅的理论容量估计为约4，200毫安/克。但是，这些高容量材料中的许多因其低劣的循环寿命性能而不能得到广泛应用，这种低劣的循环寿命性能通常是由于锂化过程中巨大的体积变化。例如，硅当锂化至其理论容量时膨胀高达400%。此类量级的体积变化导致了在高容量活性材料结构体和它们的固体电解质中间相(SEI)层中的相当大的应力，并通常导致电极结构的机械破裂和粉化以及显著的电化学电池的容量衰减。专利技术概述提供的是含有成型为多孔基础结构体的高容量活性材料的新型电极材料复合结构体。该结构体还包括包封这些多孔基础结构体的壳。在活性材料的锂化过程中，该壳机械约束该多孔基础结构体。该壳允许锂离子通过，但是防止电解质溶剂与包封的活性材料相互作用。在某些实施方案中，该壳含有碳，而该多孔基础结构体含有娃。尽管娃倾向于在锂化过程中膨胀，但该基础结构体的孔隙率或更通常，在该壳内部空隙空间的可用性有助于容纳在该壳内的该附加体积，而不会破坏该壳或显著增加整个电极材料复合结构体的整体尺寸。这允许该复合结构体结合到各种类型的蓄电池电极和循环高容量活性材料中，而不会破坏该电极的内部结构和劣化蓄电池的循环特性。本文所述的电极材料复合结构体可用于锂离子电池的电极。在某些实施方案中，电极材料复合结构体包括具有高容量活性材料的多孔基础结构体和包封该多孔基础结构体的壳。该壳机械约束该多孔基础结构体并允许锂离子在该高容量活性材料的锂化和脱锂过程中通过该壳，同时基本上防止一种或多种电解质溶剂与包封在该壳中的高容量活性材料相互作用。该多孔基础结构体的孔隙率在该高容量活性材料的锂化过程中降低，并在该高容量活性材料的脱锂过程中升高。在某些实施方案中，该电极材料复合结构体是负电极材料的一部分或是负电极活性材料的一部分。该高容量活性材料可以包括下列材料的一种或多种:晶体硅、非晶硅、硅 氧化物、硅氧氮化物、含锡材料、含硫材料和含锗材料。该壳可以包括下列材料的一种或多种:碳、锂磷氧氮化物(LiPON)、氧化钛、硅氧化物、氧化铝、锡、铜、锡合金和铜合金。在某些实施方案中，该多孔基础结构体在该高容量活性材料的锂化和脱锂过程中的任意点保持至少一部分孔隙率。例如，该多孔基础结构体当该高容量活性材料锂化至其理论锂化容量的至少约75%时可以保留至少约10%的孔隙率。在某些实施方案中，该壳在该高容量活性材料的锂化和脱锂过程中基本不会经受塑性变形。该电极材料复合结构体可以包括附加的多孔基础结构体。在这些情况下，同样的壳可以包封超过一个的多孔基础结构体。例如，壳可以在多个多孔基础结构体周围形成整体包封体。在具体实施方案中，在该电极材料复合结构体中，至少两个多孔基础结构体彼此接触。在相同或其它实施方案中，该壳可以电结合成多个多孔基础结构体。在某些实施方案中，该电极材料复合结构体具有约50纳米至30微米的平均主要尺寸。该壳可以具有约I纳米至100纳米的平均厚度。在某些实施方案中，在该多孔基础结构体和壳之间设置中间层。该多孔基础结构体的高容量活性材料可以包括硅，如多孔硅，而该壳可以包括碳。在相同或其它实施方案中，该壳可以包括该多孔基础结构体中不存在的至少一种材料。在某些实施方案中，该多孔基础结构体对该壳的体积比为至少约10。也就是说，电极材料复合结构体按体积计平均具有是多孔基础材料如高容量活性材料的十分之一的壳材料。还提供了一种电极，所述电极包括具有多孔基础结构体的电化学活性复合结构体和包封该多孔基础结构体的壳。该多孔基础结构体包括高容量活性材料。该壳机械约束该多孔基础结构体并允许锂离子在该高容量活性材料的锂化和脱锂过程中通过该壳，同时基本上防止一种或多种电解质溶剂与包封在该壳中的高容量活性材料相互作用。该多孔基础结构体的孔隙率在该高容量活性材料的锂化过程中降低，并在其脱锂过程中升高。该电极还包括支承该电化学活性复合结构体并保持与该多孔基体的高容量活性材料的电子连通的导电基材。在某些实施方案中，该电极还包括在该导电基材上支承该电化学活性复合结构体的粘合剂材料。在相同 或其它实施方案中，该电化学活性复合结构体的壳将该电化学活性复合结构体连接到该导电基材上。例如，该壳可以与在该导电基材表面上形成的壳材料层形成整体本体。在某些实施方案中，该多孔基础结构体与该导电基材直接接触。例如，该多孔基础结构体可以基材固定于该导电基材。该多孔基础结构体生长固定于该导电基材。还提供了包括具有电化学活性复合结构体的负电极的锂离子电池。该电化学活性复合结构体包括具有高容量活性材料的多孔基础结构体和包封该多孔基础结构体的壳。该壳机械约束该多孔基础结构体并允许锂离子在该高容量活性材料的锂化和脱锂过程中通过该壳，同时基本上防止一种或多种电解质溶剂与包封在该壳中的高容量活性材料相互作用。该多孔基础结构体的孔隙率在该高容量活性材料的锂化过程中降低，并在其脱锂过程中升高。该锂离子电池还包括正电极和电解质。该电解质在负电极和正电极之间提供离子连通并包括锂离子。在某些实施方案中，该电解质包括下列电解质溶剂的一种或多种:碳酸盐(酯)、亚硝酸盐(酯)、酯、酰胺和磷酸盐(酯)。该壳可以是一种或多种电解质溶剂基本不可渗透的。该壳在其外表面上形成SEI层，该外表面通过该壳与该多孔基础结构体分隔。还提供了制造用于锂离子电池的电极的方法。该方法可以包括提供具有高容量活性材料的多孔基础结构体，并在该多孔基础结构体上形成一个或多个壳以包封该高容量活性材料。该一个或多个壳机械约束该多孔基础结构体并允许锂离子在该高容量活性材料的锂化和脱锂过程中通过该壳，同时基本上防止一种或多种电解质溶剂与包封在该壳中的高容量活性材料相互作用。该多孔基础结构体的孔隙率在该高容量活性材料的锂化过程中降低，并在其脱锂过程中升高。该方法还可以包括将包封在壳内的多孔基础结构体在粘合剂中混合以形成浆料并将该浆料涂覆到导电基材上。在某些实施方案中，形成一个或多个壳包括将该多孔基础结构体连接到导电基材。该操作可以开始于在导电基材上提供该多孔基础结构体，并随后形成壳，其一部分可以以层的形式在导电基材上形成，由此将该多孔基础结构体连接到该导电基材。该多孔基础结构体可以通过在低于约700°C的温度下还原气相法氧化硅和/或通过蚀刻硅结构体来形成。多孔基础结构体可本文档来自技高网...

【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：R·J·法兴，刘祖琴，韩松，G·E·洛夫尼斯，C·I·斯蒂芬，
申请(专利权)人：安普雷斯股份有限公司，
类型：
国别省市：