用于锂或钠离子电池组的铋‑锑阳极制造技术

本发明专利技术涉及用于可再充电的锂离子(Li

For bismuth antimony anode lithium or sodium ion battery

The present invention relates to lithium ion (Li) for recharging

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂或钠离子电池组的铋-锑阳极
本专利技术涉及用于可再充电的锂离子(Li+)或钠离子(Na+)电池组的铋(Bi)-锑(Sb)阳极、形成电化学活性Bi-Sb合金的方法，和含有这类阳极的可再充电电池组。背景可再充电(二次)锂离子电池组被广泛地用于诸如手机和笔记本电脑的消费者电子装置中，这部分是由于其高能量密度。可再充电锂离子电池组也可用于耗电量大的应用，例如电动车和电动工具。诸如能量电网存储(energygridstorage)的可再充电锂离子电池组的额外应用是可能的。虽然可再充电钠离子电池组较不普遍，但其可用于许多与锂离子电池组相同的应用中。可再充电电池组以两个电极(阳极和阴极)中的化学能的形式储存能量。通过电解质并通常还通过绝缘子在电池组内使阳极和阴极彼此电绝缘。绝缘子可渗透离子且允许它们在电池组内的电极之间通过。电子(e-)通过外部电子回路移动。阳极和阴极通常包含化合物，可将锂离子和/或锂原子或钠离子和/或钠原子可逆地插入这些化合物中。电解质通常含有锂或钠盐，其溶解在有机液体中以生成锂离子或钠离子。电解质通常含有有机液体，如碳酸酯、醚、腈或亚砜。对电池组进行放电时，电子从阳极向阴极移动，经由诸如电话的外部装置移动，该外部装置由电子流(即电流)供电。通过外部装置流动的电流还可以具有电子空位(即空穴)的性质。锂离子或钠离子此时从阳极向阴极移动。对电池组进行充电时，诸如壁式插座的外部电源经由从阳极至阴极的外部回路通过电解质和电子供应传输锂离子或钠离子所需的电力。通常，由锂离子或钠离子和电子形成的锂或钠与阳极材料合并、溶解在阳极材料中、在阳极材料中合金化或掺入阳极材料中。放电时，电子和离子流被逆转，且锂离子或钠离子与阴极材料合并、溶解在阴极材料中、在阴极材料中合金化或掺入阴极材料中。目前，石墨通常被用作锂离子电池组中的阳极材料。石墨表现出非常接近零的工作电压(相对于Li/Li+)，其允许在阳极上形成锂金属枝晶(dendrite)。随着时间的变化，这些枝晶可延伸至阴极并导致电池组短路和停止工作。此外，这一低工作电压允许在电极表面上形成固体-电解质界面(SEI)层，其使电极钝化并导致低初始库伦效率和降低的倍率容量(ratecapacity)，使得电池组较不适宜使用和/或寿命较短。用作阳极时，锂金属受到类似问题的困扰。通过形成锂金属合金来缓解这些问题的尝试只是会导致新问题，例如充电和放电期间的大体积变化或陡峭的电势曲线，其最终使阳极的结构完整性受损并降低电池组寿命。此外，这些合金中的许多在接近零的电压(相对于Li/Li+)下运行，允许形成枝晶和/或SEI层。解决一些这类问题的尝试包括形成降低体积变化影响的特定合金结构。然而，这些结构的形成通常复杂且昂贵。其他的尝试包括形成不经历大体积变化的合金，但这些合金倾向于显示倾斜的电压曲线，其导致放电循环中电池组性能和输出的变动。这类变动是不希望发生的，因为许多电学装置不能良好地耐受或无法在这类变动下运行。钠离子电池组阳极材料也表现出类似问题。附图简要说明附图被纳入说明书并构成说明书的一部分，其显示若干方面并与说明书一起解释本专利技术的原理。图1描绘了具有含有Bi-Sb合金的阳极的可再充电锂离子电池组。图2描绘了形成Bi-Sb合金的高能量机械研磨方法。图3A是Bi0.36Sb0.64-C的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3B是沿图3A中标记的方向的能量色散谱(EDS)线扫描剖面(linescanprofile)。图3C是Sb的EDS元素图(elementalmap)；图3D是Bi的EDS元素图。图4A是所示Bi-Sb合金的X射线衍射(XRD)图。该图下面部分中的线是Sb(中空三角)和Bi(中空矩形)的标准衍射峰。图4B是Bi晶体的原子排列以及晶体结构下显示的晶格模式。图4C是Bi0.57Sb0.43晶体的原子排列以及晶体结构下显示的晶格模式。图4D是Bi0.36Sb0.64晶体的原子排列以及晶体结构下显示的晶格模式。图4E是Sb晶体的原子排列以及晶体结构下显示的晶格模式。图5A-D显示电流密度为200mAg-1的恒电流条件下电极的放电-充电电势概况。图5A中的电极是Bi-C。图5B中的电极是Sb-C。图5C中的电极是Bi0.57Sb0.43-C。图5D中的电极是Bi0.36Sb0.64-C。图6A-D显示第10次循环时电极的电势概况。图6A中的电极是Bi-C。图6B中的电极是Sb-C。图6C中的电极是Bi0.57Sb0.43-C。图6D中的电极是Bi0.36Sb0.64-C。图6E显示来自图6A-D的各电极的电压平台(voltageplateaus)的容量。图7显示电流密度为200mAg-1的恒电流条件下电极的循环性能。图8A和B显示锂离子电池组中电极的循环性能和库伦效率。图8A中的电极是Bi0.57Sb0.43-C。图8B中的电极是Bi0.36Sb0.64-C。图9A和B显示电极的倍率容量。图9A中的电极是Bi-C和Sb-C。图9B中的电极是Bi0.57Sb0.43-C和Bi0.36Sb0.64-C。图10A-D显示钠离子电池组中材料的电势概况。图10A中的电极是Bi-C。图10B中的电极是Sb-C。图10C中的电极是Bi0.57Sb0.43-C。图10D中的电极是Bi0.36Sb0.64-C。图11A显示电流为100mAg-1的恒电流条件下钠离子电池组中电极的循环性能。图11B显示钠离子电池组中电极的C倍率性能。图12A-D显示电极的锂化/去锂化过程的循环伏安法(CV)扫描。图12A中的电极是Bi0.36Sb0.64-C。图12B中的电极是Bi0.57Sb0.43-C。图12C中的电极是Sb-C。图12D中的电极是Bi-C。专利技术详述本专利技术涉及用于可再充电的锂离子或钠离子电池组的Bi-Sb阳极、形成电化学活性Bi-Sb合金的方法，和含有这类阳极的可再充电电池组。本专利技术涉及阳极20，其可被包括在可再充电电池组10中。电池组10还可包括阴极30和电解质40，如图1所示。电池组10可额外地包括绝缘子50。电池组10可含有促进与外部装置70的连接的接触件，该外部装置70可由电池组供电或可对电池组放电。电池组10可以是锂离子或钠离子电池组。阳极20包含Bi-Sb合金。当锂离子存在于阳极20中时，该阳极还可含有Li-Bi和/或Li-Sb化合物。锂化的化合物通常是Li3Bi和Li3Sb的形式。根据CV研究，放电期间Li3Sb的形成略早于Li3Bi。类似地，当钠离子存在于阳极20中时，该阳极还可含有Na-Bi和/或Na-Sb化合物，如Na3Sb和Na3Bi。本领域技术人员应理解，活性阳极材料可含有更多或更少的锂或钠，这取决于阳极20的电荷的状态。阳极20中Bi∶Sb的比率范围可以是1∶9至9∶1。Bi-Sb合金可形成相同的晶体类型，这与Bi和Sb的比率无关。具体而言，Bi-Sb合金可具有R-3m空间群中的晶体结构。Bi-Sb合金可以是同质化的，如同使用XRD确认的那样。诸如元素碳(C)的碳可被包含在合金中以进一步增强导电性。碳可形成最多合金的30％(以重量计)，如最多20％(以重量计)。碳可以是能够增强导电性的任何形式并可在合金化过程期间被包含在合金中或稍后提供。阳极中存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可再充电电池组，其包含：包含铋(Bi)‑锑(Sb)合金的阳极；阴极；以及包含离子的电解质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.05 US 62/112,4341.一种可再充电电池组，其包含：包含铋(Bi)-锑(Sb)合金的阳极；阴极；以及包含离子的电解质。2.根据权利要求1所述的电池组，其中Bi∶Sb的比率是1∶9至9∶1。3.根据权利要求1所述的电池组，其中所述离子是锂离子(Li+)。4.根据权利要求3所述的电池组，其中所述阳极还包含Li-Bi化合物。5.根据权利要求3所述的电池组，其中所述阳极还包含Li-Sb化合物。6.根据权利要求3所述的电池组，其中所述阳极还包含Li-Bi化合物和Li-Sb化合物。7.根据权利要求1所述的电池组，其中所述离子是钠离子(Na+)。8.根据权利要求7所述的电池组，其中所述阳极还包含Na-Bi化合物。9.根据权利要求7所述的电池组，其中所述阳极还包含Na-Sb化合物。10.根据权利要求7所述的电池组，其中所述阳极还包含Na-Bi化合物和Na-Sb化合物。11.根据权利要求1所述的电池组，其中所述Bi-Sb合金是同质化的。12.根据权利要求1所述的电池组，其中所述Bi-Sb合金具有R-3m空间群中的晶体结构。13.根据权利要求1所述的电池组，其中所述阳极还包含元素碳(C)。14.根据权利要求1所述的电池组，其中电压在代表充电或放电所需时间的90％的时间框期间变化小于5％。15.根据权利要求1所述的电池组，其中所述阴极包含能够提供主体框架的过渡金属氧化物，可向所述主体框架中可逆地插入或提取所述离子。16.根据权利要求1所述的电池组，其中所述离子包含锂离子且所述阴极包含锂过渡金属氧化物。17.根据权利要求1所述的电池组，其中所述离子包含锂离子且所述阴极包含锂过渡金属聚阴离子氧化物。18.根据权利要求1所述的电池组，其中所述离子包含锂离子且所述阴极包含过氧化物。19.根据权利要求1所述的电池组，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿鲁慕甘·曼塞拉姆，赵玉宝，
申请(专利权)人：德克萨斯大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US