具有增强的黏附特性的模板电极结构制造技术

一种用于锂离子电池的电极，其包括：纳米结构模板；涂覆所述模板的电化学活性材料层；和在纳米结构模板与电化学活性材料层之间的第一中间层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供了用于锂离子电池的新型模板电极材料和结构。还提供了相关方法。根据各种实施方案，电极可以包括纳米结构模板、涂覆模板的电化学活性材料层和纳米结构模板与电化学活性材料层之间的第一中间层。在一种布置中，纳米结构模板包括硅化物纳米线。电化学活性材料可以是硅、锡、锗、碳、金属氢化物、硅化物、磷化物和氮化物中的任何一种。第一中间层可以促进纳米结构模板与电化学活性材料层之间的黏附、电极内的导电性、和/或纳米结构模板与电化学活性层之间的应力松弛。【专利说明】具有增强的黏附特性的模板电极结构相关申请的交叉引用根据35USC§119 (e)，本申请要求2011年7月1日提交的名称为“TEMPLATEELECTRODE STRUCTURES WITH ENHANCED ADHESION CHARACTERISTICS” 的美国临时申请第61/503，819号的优先权权益，通过引用以其全文并入本文。
技术实现思路
在本专利技术的一种实施方案中，提供了一种用于锂离子电池的电极。所述电极具有纳米结构模板、涂覆模板的电化学活性材料层和在纳米结构模板与电化学活性材料层之间的第一中间层。在一种布置中，所述纳米结构模板包括硅化物纳米线。所述电化学活性材料可以是硅、锡、锗、碳、金属氢化物、硅化物、磷化物和氮化物中的任何种类。至少一部分电化学活性材料层还包括降低电化学活性材料层在锂化时的膨胀的调节添加剂(moderating additive)。所述调节添加剂具有的锂容量小于所述电化学活性材料的锂容量。例如，对于硅电化学活性材料，第一中间层可以是钛、铜、铁、镍和铬中的 一种或多种。在一种布置中，所述调节添加剂具有在整个电化学活性材料层中变化的浓度。第一中间层可以具有约2纳米至2微米的厚度。第一中间层可以促进纳米结构模板与电化学活性材料层之间的黏附、电极内的电子导电性、和/或纳米结构模板与电化学活性材料层之间的应力松弛。通过与相邻的电化学活性材料层中和/或相邻的纳米结构模板中的材料形成化合物和/或合金，第一中间层可以促进。通过降低纳米结构模板与电化学活性材料层之间的电子阻抗，第一中间层可以促进电子导电性。在一些布置中，电子阻抗得到降低，因为在中间层(以及其可形成的任何化合物或合金)和相邻的纳米结构模板和电化学活性材料层之间的接触阻抗的总和小于当不存在中间层时纳米结构模板与电化学活性材料层之间的接触阻抗。第一中间层可以促进纳米结构模板与电化学活性材料层之间的应力松弛，因为第一中间层具有弹性性质，这允许它从电化学活性材料层的膨胀和收缩吸收至少一些应力而不将所有应力传递到纳米结构模板。在本专利技术的一种实施方案中，所述电极还具有涂覆有第二中间层的基材，并且至少所述纳米结构模板与所述第二中间层接触。第二中间层也可以促进纳米结构模板与基材之间的黏附、电极内的电子导电性、和/或纳米结构模板与基材之间的应力松弛。在一种布置中，第二中间层与第一中间层相同。在本专利技术的另一种实施方案中，提供了用于锂离子电池的另一种电极。所述电极具有:具有金属表面的导电性基材、金属表面上的纳米结构模板、涂覆纳米结构模板的电化学活性材料层、纳米结构模板与电化学活性材料层之间的第一中间层、和导电性基材的第一表面与纳米结构模板之间的第二中间层。所述金属可以包括铜、镍、钛和不锈钢中的任何种类。所述导电性基材可以包括:基底基材和附着到该基底基材的薄金属箔，使得薄金属箔提供了上面提到的金属表面。薄金属箔可以具有不同于基底基材的组成。第一中间层和第二中间层可以促进如上所述的黏附、电子导电性和应力松弛中的一种或多种。所述电化学活性材料层可以包括硅、锡、锗、碳、金属氢化物、硅化物、磷化物和氮化物中的一种或多种。在一种布置中，至少一部分电化学活性材料层还包括降低电化学活性材料层在锂化过程中的膨胀的调节添加剂。所述调节添加剂可以具有的锂容量小于所述电化学活性材料的锂容量。所述调节添加剂可以是氧、钛、锡、锗、镍、铜、碳、氮、铝和钨中的任何种类，并且可以具有在整个电化学活性材料层中变化的浓度。在一种布置中，电化学活性材料中调节添加剂的浓度在与导电性基材相邻的电化学活性材料层的区域中是最高的。在另一种布置中，在电化学活性材料层与其外表面相邻的部分中基本上不存在调节添加剂。下面参考附图进一步描述本专利技术的这些和其它的方面。【专利附图】【附图说明】图1是示出了根据某些实施方案的包含纳米结构模板和电化学活性层的电极结构的一个实例的示意图。图2A-2C是示出了根据某些实施方案在各种处理之前和之后镍表面的表面粗糙度的图像。图3A是根据某些实施方案(根据某些实施方案的)三层的基材的一个实例的示意图。图3B-3F是根据某些实施方案的各种硅化物结构的实例的示意图。图4是根据某些实施方案沉积在布置于基材上的模板结构上方的活性材料层的一个实例的示意图。图5示出了根据某些实施方案制造包含金属硅化物模板和活性材料的电化学活性电极的方法。图5A给出了根据某些实施方案在图5中示出的方法的不同阶段期间制备的结构的四个实例的示意图。图6A是从上方观察的硅化物纳米线模板的SEM图像。图6B是涂覆有非晶硅的硅化物纳米线模板的SEM图像。图6C是含活性层的涂覆有硅的纳米线的侧视SEM图像。图6D是图6B中所示的活性层的更高放大倍数的SEM图像。图6E是相对于电极的上表面以一定角度获得并且示出纳米线的自由端和基材固定端的SEM图像。图7A是根据某些实施方案使用本文中所描述的电极的部分组装的电化学电池的平面图的示意图。图7B是根据某些实施方案使用本文中所描述的电极的部分组装的电化学电池的电极叠层的横截面视图的示意图。图8A-8C是根据某些实施方案电极与两个分隔体片卷绕在一起以形成电池的各种视图的不意图。图9A和9B是根据某些实施方案包括多个电池的叠层电池的横截面和透视图的示意图。图10是根据某些实施方案卷绕的圆柱形电池的横截面视图的示意图。示例性实施方案的具体描述由某些电化学活性材料如硅形成的结构倾向于在它们的锂化循环期间改变它们的形状和尺寸。这些材料在锂化期间膨胀同时接收锂并且在脱锂化期间收缩同时释放锂。例如，当被锂化至其对应于Li4.4Si相的理论极限时，硅扩展多达400%。同时，通常用于支撑这些活性材料的导电性基材保持其形状和尺寸。一些典型的基材实例包括薄金属箔。与两个电极部件之间通常直接的接触结合的这种行为差异使得它难以保持在锂化循环期间基材与活性材料层之间的机械和电连接。这两个部件之间的界面经历由基材的静态属性和活性材料层的动态属性所引起的高应力水平。此外，这种应力趋于集中在界面处，将两种材料撕开。结果，活性材料层趋于开裂并且从所得的基材剥离，导致容量损失并且甚至呈现一些安全问题，如由剥离的颗粒引起的内部电短路。在导电性基材上形成的纳米结构模板有助于减轻这些问题中的一些。纳米结构模板提供了比平面基材的相应面积大得多的表面积用于支撑活性材料。因此，沉积到如此大的表面积的模板上的活性材料层可以比在较小的平面基材上形成的层薄得多，同时仍具有相同的容量。非常薄的活性材料层被认为在锂化循环期间在其与模板或一些其它支撑结构的界面处经受较少的机械应力或者更具体地经受较少的机械应力集中。模板是静态部件，并且在锂循环期间不改变其尺寸或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂离子电池的电极，其包括：纳米结构模板；涂覆所述模板的电化学活性材料层；和在纳米结构模板与电化学活性材料层之间的第一中间层。

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