通过气相沉积保形涂覆可充电锂离子电池的锂阳极制造技术

提供了电化学电池的含锂负极，以及制造这种含锂负极的方法。所述方法包括在气相沉积方法中将第一前体和第二前体沉积到包含锂的负极材料的一个或多个表面区域上。第一前体和第二前体进行反应，在一个或多个表面区域上形成无机‑有机复合物表面涂层。第一前体包含含有巯基的有机硅烷，第二前体包含无机硅烷。

【技术实现步骤摘要】
通过气相沉积保形涂覆可充电锂离子电池的锂阳极引言该部分提供与本公开相关的信息的背景，其不必然是现有技术。本公开有关电化学电池的含锂负极，以及通过将至少两种不同前体在包含锂的负极材料的一个或多个表面区域上气相沉积的方法来制造这种含锂负极的方法，其中所述前体进行反应，在一个或多个表面区域上形成无机-有机复合物表面涂层。像锂离子电池这样的高能量密度的电化学电池可用于各种消费品和车辆中，例如混合电动车辆(HEV)和电子车辆(EV)。典型的锂离子、锂硫和锂锂对称电池包括第一电极、第二电极、电解质材料和隔膜。一个电极充当正极或阴极，另一个充当负极或阳极。一叠电池单元可电连接以增加总输出。常规的可充电锂离子电池通过在负极与正极之间可逆地来回传递锂离子运行。隔膜和电解质布置于负极与正极之间。电解质适合传导锂离子，并且可以是固体形式(例如固态扩散)或液体形式。锂离子在电池充电过程中从阴极(正极)向阳极(负极)移动，在电池放电时则以相反方向进行。可使用许多不同的材料来产生锂离子电池的组分。常规负极材料包括锂插入材料或合金主体材料，例如碳基材料，例如锂石墨嵌入化合物，或者锂硅化合物、锂锡合金和钛酸锂Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3，例如Li4Ti5O12(LTO)。其中负极还可由金属锂制成，这样电化学电池被看作锂金属电池或电池单元。用于可充电电池负极的金属锂具有各种潜在的优势，包括具有最高的理论容量和最低的电化学势。因此，包含锂金属阳极的电池可具有更高的能量密度，其可潜在地将存储容量加倍，以便可将电池尺寸减半，但仍然保持与其它锂离子电池相同量的时间。因此，锂金属电池对于高能存储系统是最有前景的候选之一。但是，锂金属电池还具有潜在的不利方面，包括可能会展现出不可靠的或降低的性能，并且还可能会展现出过早的电化学电池失效。锂负极的性能降低存在两种主要原因。在锂金属与邻近电解质(其布置于正极与负极之间)中的物质之间可能会发生反应，其可能会损害可充电锂电池的库仑效率和循环寿命。另外，当锂金属被重新充电时，树枝状或纤维状的金属结构(称作枝晶)可在负极上生长。金属枝晶可形成尖锐突起，其可能会刺穿隔膜并引起内部短路，这可能会通过热失控导致电池自放电或电池失效。因此期望开发用于高能量电化学电池的可靠的高性能含锂负极材料，其会减少或抑制锂金属枝晶的形成。
技术实现思路
这一部分提供本公开的一般概述，但不是其全部范围或其全部特征的综合公开。在各种方面，本公开提供制造电化学电池的含锂负极的方法。在一个变型中，所述方法包括在气相沉积方法中在包括锂的负极材料的一个或多个表面区域上沉积第一前体和第二前体。第一前体包括含有巯基的有机硅烷，第二前体包括无机硅烷。第一前体与第二前体进行反应，在一个或多个表面区域上形成无机-有机复合物表面涂层。在一个方面，第一前体包括3-巯基丙基三甲氧基硅烷，第二前体包括原硅酸四乙酯。在一个方面，无机-有机复合物表面涂层包括第一硅酸锂(LixSiOy)基团和第二巯基烷基基团，其中0≤x≤4，0≤y≤2。在一个方面，第一前体选自由以下组成的群组：3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷(巯基甲基)甲基二乙氧基硅烷、3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、11-巯基十一烷氧基三甲基硅烷、及其组合，第二前体选自由以下组成的群组：原硅酸四乙酯、原硅酸四甲酯、原硅酸四异丙酯、及其组合。在一个方面，第一前体和第二前体在液体混合物中提供，第一前体和第二前体从所述液体混合物汽化。在一个方面，第一前体和第二前体的沉积在具有惰性气氛的反应室中发生。在一个方面，反应室中的温度大于或等于约90℃。在一个方面，负极材料包括：(i)包括锂的金属膜；(ii)多个颗粒，以便将无机-有机复合物表面涂层施加到多个颗粒，其随后形成负极；以及(iii)预制的电极层，并将无机-有机复合物表面涂层施加到预制的电极层的至少一个表面。在一个方面，沉积到一个或多个表面区域上的无机-有机复合物表面涂层覆盖大于或等于约75％到小于或等于约100％的负极材料的表面积。在另一个变型中，本公开提供制造电化学电池的含锂负极的方法，其包括在具有惰性气氛的反应室中从液体混合物汽化第一前体和第二前体。第一前体包括巯基烷基三烷氧基硅烷，第二前体包括无机四烷基正硅烷。所述方法包括将第一前体和第二前体沉积到布置于反应室中的包括锂的负极材料的一个或多个表面区域上。第一前体和第二前体进行反应，在一个或多个表面区域上形成无机-有机复合物表面涂层。在一个方面，无机-有机复合物表面涂层包括第一硅酸锂(LixSiOy)基团和第二巯基丙基基团，其中0≤x≤4，0≤y≤2。在一个方面，第一前体选自由以下组成的群组：3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷(巯基甲基)甲基二乙氧基硅烷、3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、11-巯基十一烷氧基三甲基硅烷、及其组合，第二前体选自由以下组成的群组：原硅酸四乙酯、原硅酸四甲酯、原硅酸四异丙酯、及其组合。在再其它的变型中，本公开提供电化学电池的含锂负极，其包含包括锂的负极材料，其具有一个或多个曝露的表面区域，在其上布置有无机-有机复合物表面涂层。无机-有机复合物表面涂层包括第一硅酸锂(LixSiOy)基团和第二含巯基基团，其中0≤x≤4，0≤y≤2。在一个方面，第二含巯基基团选自由以下组成的群组：巯基丙基、巯基甲基、巯基十一烷基、及其组合。在一个方面，无机-有机复合物表面涂层包括第一硅酸锂(LixSiOy)基团和第二巯基烷基基团，其中0≤x≤4，0≤y≤2。在一个方面，布置于一个或多个表面区域上的无机-有机复合物表面涂层覆盖大于或等于约75％到小于或等于约100％的负极材料表面积。在一个方面，负极材料为包括锂的金属膜，无机-有机复合物表面涂层被施加到金属膜的至少一个表面。在一个方面，负极材料包含在预制的电极层内，无机-有机复合物表面涂层被施加到预制的电极层的至少一个表面。在一个方面，负极材料包括多个颗粒，以便无机-有机复合物表面涂层被施加到多个颗粒，其随后形成负极。在一个方面，无机-有机复合物表面涂层具有大于或等于约2nm到小于或等于约100nm的厚度。其它适用领域从本文提供的描述将变得显而易见。该
技术实现思路
中的描述和特定实例仅仅是为了说明目的，并非旨在对本公开的范围进行限制。附图说明本文描绘的附图的目的仅仅为所选实施例而不是所有可能的实施方案提供说明，并非旨在对本公开的范围进行限制。图1是示范性的包括含锂负极的电化学电池单元的示意图。图2显示一个反应器，在其中提供根据本公开某些方面的气相沉积方法，其中包含锂的负极材料的一个或多个表面区域涂有无机-有机复合物表面涂层。图3显示当形成根据本公开某些方面的无机-有机复合物表面涂层时发生的示范性反应。图4显示负极锂材料的详细视图，所述负极锂材料涂有根据本公开某些方面制备的无机-有机复合物表面涂层，其具有第一有机基团和第二无机基团。图5A-5H显示按照本公开的某些方面制备的包含锂的负极上的无机-有机复合物涂层的特征。气相沉积之前(图5A)和之后(图5B)的锂的扫描电子显微图像。刻度条为2微米。无机-有机复合物表面涂层的元素绘制图像显示硅元素(图5C)和硫元素(图5D)的平均分布。刻度条是10微米。图5E显示无机-有机复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造电化学电池的含锂负极的方法，所述方法包含：在气相沉积方法中在包含锂的负极材料的一个或多个表面区域上沉积第一前体和第二前体，其中所述第一前体和所述第二前体进行反应，在所述一个或多个表面区域上形成无机‑有机复合物表面涂层，其中所述第一前体包含含有巯基的有机硅烷，所述第二前体包含无机硅烷。

【技术特征摘要】
2017.08.01 US 15/6661701.一种制造电化学电池的含锂负极的方法，所述方法包含：在气相沉积方法中在包含锂的负极材料的一个或多个表面区域上沉积第一前体和第二前体，其中所述第一前体和所述第二前体进行反应，在所述一个或多个表面区域上形成无机-有机复合物表面涂层，其中所述第一前体包含含有巯基的有机硅烷，所述第二前体包含无机硅烷。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体包含3-巯基丙基三甲氧基硅烷，所述第二前体包含原硅酸四乙酯。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述无机-有机复合物表面涂层包含第一硅酸锂(LixSiOy)基团和第二巯基烷基基团，其中0≤x≤4，0≤y≤2。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体选自由以下组成的群组：3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷(巯基甲基)甲基二乙氧基硅烷、3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、11-巯基十一烷氧基三甲基硅烷、及其组合，所述第二前体选自由以下组成的群组：原硅酸四乙酯、原硅酸四甲酯、原硅酸四异丙酯、及其组合。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前体和所述第二前体在液体混合物中提...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·蔡，刘芳，许铎，卢云峰，肖强凤，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：美国,US