高性能硅阳极用多孔碳化复合材料制造技术

提供了一种用于电化学电池的电极材料，例如锂离子电池或锂硫电池。所述电极可为负的阳极。所述电极材料包括一种复合材料，所述复合材料包括含有碳化材料的多孔基质。所述电极材料进一步包括多个均匀地分散在碳化材料的多孔基质中的硅颗粒。所述多个硅颗粒的每一个都具有大于或等于约5纳米且小于或等于约20微米的平均粒径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学装置用电极材料，更具体地，涉及用于锂离子和锂硫电化学装置的高性能含硅电极、制造这种含硅电极的方法及其使用方法。
技术介绍
该部分提供与本
技术实现思路
相关的背景信息，它并不一定是现有技术。高能密度电化电池，诸如锂离子电池、锂硫电池等等，可用于各种消费品和车辆，比如混合动力电动车(HEVs)和电动车(EVs)等等。典型的锂离子和锂硫电池包括第一电极(例如阴极)、第二电极(例如阳极)、电解质材料和隔板。通常电池组被电连接以增加整体输出。常规的锂离子和锂硫电池通过将锂离子可逆地穿过负极和正极之间来运行。隔板和电解质设置在负极和正极之间。电解质适用于传导锂离子，可以是固体或液体形式。锂离子在电池充电过程中从阴极(正极)移向阳极(负极)，电池放电时以相反的方向移动。阳极和阴极材料可与电解质接触，在电极之间形成一个电位。当电子电流在电极之间的外部电路产生时，电位靠电池组内的电化学反应来维持。叠层体中的负极和正极的每一个与集电器相连接(尤其是金属，如铜阳极和铝阴极等)。在电池使用过程中，与两个电极相关的集电器通过外部电路连接，其允许电子产生的电流在电极之间穿过以补偿锂离子的传输。典型的用于形成阳极的电化学活性材料，包括锂石墨嵌入化合物、锂硅嵌入化合物、锂锡嵌入化合物、锂合金。虽然石墨化合物最为普遍，但是近年来，高比容的阳极材料(与常规石墨相比)越来越受重视。例如，硅为人所知具有的锂离子理论容量最高，使其成为可充电锂离子电池最有前途的材料之一。然而，当前含硅的阳极材料具有明显的不足之处。含硅材料在锂插入或提取期间(例如嵌入和脱出)的较大的体积变化(例如，体积膨胀或收缩)会导致阳极开裂、电化学循环性能的下降和库仑充电容量减少(容量衰减)，以及周期寿命受限。将可取的是，开发高性能负极材料，包含用于高功率锂离子电池的硅，其克服了目前阻碍它们的商业用途普及上，特别是在车辆应用上的缺点。为了长期高效的使用，含硅阳极材料应在锂离子电池长期使用中实现容量衰减最小化和充电容量最大化。
技术实现思路
这个部分提供了一般性内容，而不是其全部范围或其所有功能的全面公开。在某些变型中，本专利技术提供了一种电化学电池用的电极材料，如锂离子电池或锂硫电池等等。电极可以是负极。电极材料包括电化学活性复合材料，其包括包含碳化材料的多孔基质。电极材料进一步包括多个均匀地分散在碳化材料的多孔基质中的颗粒。颗粒可包含硅，包括氧化硅。在备选方面，颗粒可包含其他对酸具有低灵敏度的负极材料。多个可选的颗粒的每一个的平均粒径大于或等于约5纳米且小于或等于约20微米。在某些其他方面，本专利技术提供一种包括负极、正极、隔板和电解质的电化学电池。负极包括电化学活性复合材料，其包括包含碳化材料的多孔基质。颗粒可以包含硅，包括氧化硅。在备选方面，颗粒可包含其他对酸具有低灵敏度的负极材料。多个可选的颗粒的每一个的平均粒径大于或等于约5纳米且小于或等于约20微米。在其他方面，本专利技术提供了一种电化学电池用的负极材料的制作方法，该电化学电池可以是锂离子电池或锂硫电池。方法包括将pH低于或等于约3的酸与含硅前体和糖的混合物反应，以形成固态多孔前体复合材料。方法进一步包括，将固态多孔前体复合材料加热至大于或等于约300℃或至小于或等于约900℃的温度，持续大于或等于约30分钟，以形成包含基质的多孔复合电极材料，所述基质包含具有多个均匀分散的分布在其中的硅颗粒的碳化材料。在某些方面，加热可以在还原气氛中、惰性气氛中或在负压下进行。从本文所提供的描述中，其他领域的应用将显而易见。本内容中的说明和具体示例仅是以说明性为目的，而不是旨在限定本专利技术的范围。附图说明本文描述的附图仅仅是为了举例说明选定实施例的目的，而并不是旨在用来限制本专利技术的范围。图1是一个示例性的电化学电池组的示意图；图2A–2D是扫描/透射电子显微图像。图2A(扫描电子显微图像)和2B(透射电子显微图像)示出了根据本专利技术的某些方面的分层结构的复合颗粒。同时，图2C和2D根据本专利技术的某些方面是被一层非晶碳包覆的硅纳米颗粒的透射电子显微图像；图3示出了两种材料的拉曼光谱:根据本专利技术的一种复合电极材料；以及通过类似方法制成的无硅颗粒的多孔碳化材料；接下来图4示出了具有硅/碳阳极的锂离子电池的具体容量，根据本专利技术，其具有超过180个充电和放电周期。在所有的附图中，对应的附图标记都指代对应的部件。具体实施方式现在参考附图，更详细地描述示例性实施例。通过提供示例性实施例，使得本专利技术较为详尽，并且将向本领域的技术人员充分传达专利技术范围。阐述了许多特定细节，诸如特定部件、装置和方法，以便实现对本专利技术实施例的彻底理解。对于本领域的技术人员显而易见的是，不需要借助具体的描述，示例性实施例可以体现在多种不同的形式，也不应被理解为限制本专利技术的范围。在一些示例性实施例中，公知的方法、装置结构和技术就不详细来描述了。本文所使用的术语只是用于描述特定的示例性实施例，而不是旨在使其受限制。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”可能旨在包含复数形式，除非上下文有明确指出。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”，是包括性的，用来说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在或增加。本文所述的方法步骤、过程和操作不应理解为必定需要以所讨论或所示的具体次序进行，除非特别表明了执行顺序。还可理解的是，可采用附加或替代的步骤。当元件或层被称为“在”、“接合至”、“连接到”、或“联接到”另一个元件或层上时，它可能是直接在、接合至、连接到或联接到另一元件或层上，或存在中间的元件或层。反之，当元件称为“直接在”、“直接接合至”、“直接连接到”、或“直接联接到”另一元件或层上时，可能就不存在中间的元件或层。其他用来描述元件之间关系的词语应以类似的方式来解释(例如，“在......之间”和“直接在......之间”、“与......相邻”和“与......直接相邻”)。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列出的事物的任何组合和所有组合。虽然“第一”、“第二”、“第三”等术语在本文可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或段，但是这些元件、组件、区域、层和/或段不应被这些术语限制。这些术语可能只是用于将一个元件、组件、区域、层或段与另一区域、层或段区分开。除非上下文中清楚指出，否则当诸如“第一”、“第二”和其他此类的数词用于本文时，不暗含顺序或次序。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或段可以被称为第二元件、部件、区域、层或段，而不脱离开本示例性实施例的教导。与空间相关的术语，诸如“内部”、“外部”、“在......之下”、“在......下面”、“下”、“在……上面”、“上”等等，可能在本文如同在附图中所示那样，用于便于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。与空间相关的术语可旨在包括除了图中描绘的方位之外的在使用或操作中的装置的不同方位。例如，如果附图中的装置被反转，则被描述为在其他元件或特征“在……下面”或“在......之下”的元件将被定向为所述其他元件或特征的“在……上面”。因此，示例性术语“在……下面”可包括在上面和在下面两个方位。装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池的电极材料，其包括：电化学活性复合材料，包括：包含碳化材料的多孔基质；以及均匀地分散在所述多孔基质中的含硅的多个颗粒，所述多个颗粒中的每一个都具有大于或等于约5纳米以及小于或等于约20纳米的平均粒径，其中所述包含硅的多个颗粒在所述电化学电池或者蓄电池充电期间能够接受嵌入锂离子的嵌入，并且在所述电化学电池或者蓄电池的放电期间能够释放锂离子。

【技术特征摘要】
2015.09.29 US 14/8688781.一种电化学电池的电极材料，其包括：电化学活性复合材料，包括：包含碳化材料的多孔基质；以及均匀地分散在所述多孔基质中的含硅的多个颗粒，所述多个颗粒中的每一个都具有大于或等于约5纳米以及小于或等于约20纳米的平均粒径，其中所述包含硅的多个颗粒在所述电化学电池或者蓄电池充电期间能够接受嵌入锂离子的嵌入，并且在所述电化学电池或者蓄电池的放电期间能够释放锂离子。2.如权利要求1所述的电极材料，其中所述多个颗粒中的每一个的至少部分表面都涂覆有一层所述碳化材料。3.如权利要求1所述的电极材料，其中所述碳化材料的多孔基质包括多个层级复合颗粒，其中所述多个层级复合颗粒具有大于或等于约5纳米且小于或等于约20微米的平均粒径。4.如权利要求1所述的电极材料，所述碳化材料的多孔基质中的多个颗粒的装载密度大于或等于约0.1mg/cm2且小于或等于约20mg/cm2，或者所述电化学活性复合材料中的多个颗粒的填充密度按体积计大于或等于约5％且小于或等于约90％，或者可选地按体积计大于或等于约5％且小于或等于约75...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖兴成，W·周，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US