用于锂基电池的电极的电泳沉积制造技术

提供了一种通过电泳沉积制造用于锂基电池的电极的方法。该方法包括：将颗粒与氧化石墨烯和粘合剂在溶液中混合，该颗粒包括选自硅、氧化硅、硅合金、锡、氧化锡、硫、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂镍锰氧化物和锂镍锰钴氧化物的材料。该方法还包括：在浸没在该溶液中的集流体与对电极之间施加电势，以使该颗粒、至少部分还原的氧化石墨烯和粘合剂的组合的涂层沉积到所述集流体上；该方法还进一步包括对该涂层集流体进行干燥。

Electrophoretic deposition of electrodes for lithium based batteries

A method for manufacturing electrodes for lithium based batteries by electrophoretic deposition is provided. The method comprises: particles and graphene oxide and binder in solution, the particle comprises a material selected from the group consisting of silicon, silicon oxide, silicon alloy, tin, tin oxide, sulfur, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium nickel manganese oxide and lithium nickel manganese cobalt oxide. The method also includes the immersion fluid set in the solution and the potential applied between the electrodes, so that the particles, at least part of the coating combination reduction of graphene oxide and adhesive to the collector; the method further comprises of the current collector for dry coating.

【技术实现步骤摘要】
用于锂基电池的电极的电泳沉积
本专利技术总体上涉及锂基电池，并且更具体地涉及电极的电泳沉积。
技术介绍
二次或可充电的锂离子电池被用于许多固定或便携装置，诸如消费性电子、汽车和航空工业中所用到的那些装置。由于多种原因，锂离子类电池得以普及，原因包括能量密度相对较高、相比于其他类型的可充电电池通常不存在任何记忆效应、内阻相对较低、不使用时自身放电率低并且可以形成很多种形状(例如棱形)和尺寸从而有效地填充电动车辆、蜂窝电话和其他电子装置中的可用空间。此外，锂离子电池在其可用寿命内经受重复的电力循环的能力使其成为具有吸引力且可靠的电力来源。
技术实现思路
提供了一种通过电泳沉积制造用于锂基电池的电极的方法。该方法包括：将颗粒与氧化石墨烯和粘合剂在溶液中混合。颗粒可以包括从硅、氧化硅、硅合金、锡、氧化锡、硫、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂镍锰氧化物和锂镍锰钴氧化物中选择的材料。该方法进一步包括在浸没在溶液中的集流体和对电极之间施加电势，从而将颗粒、至少部分还原的氧化石墨烯以及粘合剂的组合的涂层沉积到集流体上。该方法还进一步包括对涂覆集流体进行干燥。附图说明通过参考以下的详细描述和附图，本专利技术的实例的特征将变得显而易见，其中类似的附图标记对应相似但可能不完全同样的部件。出于简洁的目的，具有之前描述功能的附图标记或特征可以也可以不结合示出它们的其他附图进行描述。图1是，基于比容量SC(单位是mAhg-1)和循环次数(#)的坐标，用于硅和石墨烯以1∶1比例和1∶2比例混合的混合物的放电/充电循环的曲线图；图2是在放电状态下的锂离子电池的实例的示意性透视图，其中负极或阳极是电泳地沉积在集流体上的活性材料/至少部分还原的氧化石墨烯纳米复合材料；图3A是示例性方法的示意图，该方法用于制造涂覆有活性材料/至少部分还原的氧化石墨烯纳米复合材料的集流体的带或片，其中用于涂覆带或片的部件的方面被设置，但没启动；图3B是与图3A相似却是在启动该方法且描绘出在带或片上的涂层形成之后的视图。图4是示例性的连续辊对辊方法的示意图，该方法用于制备涂覆有活性材料/至少部分还原的氧化石墨烯纳米复合材料的集流体的带或片；图5A是，基于归一化强度I(单位任意)和波数v(单位cm-1)的坐标，示出氧化石墨烯和电泳地沉积的氧化石墨烯的拉曼光谱的一部分的曲线图；并且图5B是，基于比容量SC(单位mAhg-1)和循环次数(#)的坐标，由具有不同硅颗粒/氧化石墨烯比的溶液形成的电极的放电容量和充电容量的曲线图。具体实施方式锂基电池通常通过在负极(有时称作阳极)和正极(有时称作阴极)之间可逆地传递锂离子来工作。负极和正极位于微孔聚合物隔膜的相对侧，该多孔聚合物隔膜被浸渍在适合于传导锂离子的电解溶液中。负极和正极中的每个也容纳在相应的集流体中。与两个电极相关的集流体通过可中断外部电路而连接，该可中断外部电路允许电流在电极之间传递从而电平衡锂离子的相关迁移。此外，负极可以包括锂嵌入基质材料，而正极可以包括活性材料，该活性材料可以以高于负极的嵌入基质材料的电势存储锂离子。锂基电池的两个实例包括锂或硅硫电池(包括带有硫基活性材料的正极)和锂离子电池(包括带有锂基活性材料的正极)。作为下一代锂离子电池的阳极，硅/氧化石墨烯表现出良好的性能。该组合表现出改善的电极完整性，稳定的固体电解质中间相(SEI层)以及提高的循环寿命。图1是比容量(SC)(单位mAhg-1)和循环次数(#)的图，其描绘了在两种硅：氧化石墨烯的比例(1∶1和1∶2)下的放电/充电循环。具体地，曲线2a(较深色的空心圆)示出1∶1比例下的放电值且曲线2b(较深色的线条)示出充电值，而曲线4a(较浅色的空心圆)示出1∶2比例下的放电值且曲线4b(较浅色的线条)示出充电值。在每种情况下，在循环开始时，放电/充电值不完全相等，但是随着循环次数的增加而变得基本相等。也就是说，在前150个循环左右，曲线2a略高于曲线2b。类似地，在前75个循环左右，曲线4a略高于曲线4b。在1∶1比例下，放电/充电曲线看上去几乎恒定，而在1∶2比例下则不太明显。这些结果表明硅/氧化石墨烯是稳定且有效的阳极/负极活性材料。这些结果也表明在1∶1比例下，由于Si含量较高，可能发生更为严重的机械降解，循环稳定性可能不像在1∶2比例下(Si含量较低)那么好。此外，用于制备硅/氧化石墨烯的当前方法使用冷冻干燥和后热处理，其中冷冻干燥用于保持3D结构并实现包裹效应(用氧化石墨烯包裹硅颗粒)，而后热处理用于还原氧化石墨烯。然而，冷冻干燥是一种成本高昂的工艺，可能难以规模化进行。在本文所公开的实例中，公开了一种方法，其直接在集流体上形成活性材料/至少部分还原的氧化石墨烯纳米复合材料。该方法涉及将氧化石墨烯中至少一些原位还原成石墨烯，并且至少部分还原的氧化石墨烯可以轻易地包裹在活性材料周围。用还原的氧化石墨烯包裹活性材料可以减少石墨烯的能量、提高锂基电池的循环稳定性，并且可以改善活性材料的寿命周期。该至少部分还原的氧化石墨烯起到包含活性材料的保护性结构的作用。因此，即使活性材料由于循环期间的膨胀和收缩而瓦解，由于其被限制，其可以继续部分地起到活性材料的作用。此外，该方法不需要冷冻干燥和后热处理，并且因此是一种有效的工艺。如上所述，本文所公开的方法形成活性材料/至少部分还原的氧化石墨烯纳米复合材料。活性材料可以是负极活性材料，诸如硅、氧化硅(SiOx，其中0＜x≤2)、硅合金、锡或氧化锡(SnOy，其中0＜y≤2)。活性材料可以是正极活性材料，诸如硫、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂镍锰氧化物和锂镍锰钴氧化物。本文所公开的负极活性材料中的每种都可以用于形成锂离子电池的负极或阳极，而硅基负极活性材料可以用于形成硅硫电池的负极或阳极。本文所公开的硫基正极活性材料可以用于形成锂或硅硫电池的正极，而本文所公开的其他正极活性材料可以用于形成锂离子电池的正极或阴极。现参照图2，示出锂离子电池10的一个实例。锂离子电池10通常包括负极12、负侧集流体12a、正极14、正侧集流体14a以及设置在负极12和正极14之间的微孔聚合物隔膜16。可中断外部电路18连接负极12和正极14。负极12、正极14和微孔聚合物隔膜16中的每个都被浸渍在能够传导锂离子的电解溶液中。负侧集流体12a和正侧集流体14a可以定位为分别与负极12和正极14接触，从而收集并从外部电路18或向外部电路18移动自由电子。如上所述，使用本文所公开的方法，负极12可以直接在负侧集流体12a上形成，而正极14可以直接在正侧集流体14上形成。下面描述了集流体12a和14a的实例。锂离子电池10可以支撑负载装置22，该负载装置22可以可操作地连接到外部电路18。锂离子电池10放电时，负载装置22可以全部或部分地由通过外部电路18的电流进行供电。虽然负载装置22可以是任何数目的已知电动装置，但消耗能量的负载装置的几个具体实例包括用于混合动力车辆或纯电动车辆的电动马达、笔记本电脑、蜂窝电话和无绳电动工具。然而，负载装置22也可以是出于存储能量的目的而向锂离子电池10充电的发电装置。譬如，可变地和/或间歇地产生电能的风车和太阳能电池板常常导致需要存储多余的能量用于以后使用。锂离子电池10可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过电泳沉积制造用于锂基电池的电极的方法，所述方法包括：将颗粒与氧化石墨烯和粘合剂在溶液中混合，所述颗粒包括选自由以下各项组成的组的材料：硅、氧化硅、硅合金、锡、氧化锡、硫、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂镍锰氧化物和锂镍锰钴氧化物；在浸没在所述溶液中的集流体与对电极之间施加电势，以使所述颗粒、至少部分还原的氧化石墨烯和粘合剂的组合的涂层沉积到所述集流体上；并且对所述涂覆集流体进行干燥。

【技术特征摘要】
2016.02.02 US 15/0137691.一种通过电泳沉积制造用于锂基电池的电极的方法，所述方法包括：将颗粒与氧化石墨烯和粘合剂在溶液中混合，所述颗粒包括选自由以下各项组成的组的材料：硅、氧化硅、硅合金、锡、氧化锡、硫、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂镍锰氧化物和锂镍锰钴氧化物；在浸没在所述溶液中的集流体与对电极之间施加电势，以使所述颗粒、至少部分还原的氧化石墨烯和粘合剂的组合的涂层沉积到所述集流体上；并且对所述涂覆集流体进行干燥。2.如权利要求1所述的方法，其中：所述颗粒是纳米颗粒至微米颗粒，粒径范围为约10纳米至约10微米；并且所述氧化石墨烯呈2D纳米片的形式，厚度为约0.3纳米至约10纳米，并且横向尺寸为约100纳米至约50微米。3.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒和氧化石墨烯以颗粒：氧化石墨烯的9∶1至1∶9的比例被提供。4.如权利要求1所述的方法，其中所述颗粒、氧化石墨烯和粘合剂以颗粒/氧化石墨烯：粘合剂的9∶5至60∶40的比例被提供。5.如权利要求1所述的方法，其中：所述溶液包括水，其作为水基溶剂；并且所述粘合剂可溶于所述水基溶剂，并选自由以下各项组成的组：海藻酸钠、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、氟丙烯酸杂化胶乳及其混合物。6.如权利要求1所述的方法，其中：所述溶液包括选自由以下各项组成的组的非水基溶剂：N-甲基吡咯烷酮(NMP)和甲苯；并且所述粘合剂可溶于所述非水基溶剂，并选自由以下各项组成的组：聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚环氧乙烷(PEO)、乙烯丙烯二...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖兴成，
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