具有变化特性的纳米复合物电池电极颗粒制造技术

本发明专利技术提供了采用复合颗粒的电池电极成分和制造方法。复合颗粒中的每个都可包括例如高容量活性材料和多孔、导电骨架基体材料。所述活性材料可以在电池运行期间存储和释放离子，并且可以具有(i)作为阴极活性材料至少220mAh/g的具体容量，或者(ii)作为阳极活性材料至少400mAh/g的具体容量。所述活性材料可以设置在所述骨架基体材料的孔隙中。根据各种设计，每个复合颗粒都可以具有从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的至少一个材料特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有变化特性的纳米复合物电池电极颗粒相关申请的交叉引用本专利申请要求2015年10月13日提交的标题为“NanocompositeBatteryElectrodeParticleswithChangingProperties(具有变化的特性的纳米复合物电池电极颗粒)”的美国非临时申请No.14/882,166、2014年10月14日提交的标题为“NanocompositeBatteryElectrodeParticleswithPropertiesChangingAlongtheirRadii(具有沿着其半径变化的特性的纳米复合物电池电极颗粒)”的美国临时申请No.62/063,493的优先权，上述申请的全部内容在此通过引用明确地并入本申请中。
技术介绍

本公开总体上涉及能量存储装置，并且更具体地涉及采用粉末基电极等的电池技术。
技术介绍
对于很大范围的重要技术-例如能效行业设备、电动和混合电动交通工具(包括地面交通工具、空中交通工具和船舶)、电网和消费电器等等来说，电化学能量存储技术是有益的。部分由于它们相对的高能量密度、低重量和潜在寿命长，改进的金属离子电池-例如锂离子(Li离子)电池现在在消费电器和电动车辆应用中占据主要地位。然而，各种类型的电池都需要进一步的发展和改进。能量密度(每单位容量的能量存储能力)是一个需改进的领域。大多数可充电电池采用含粉末电池材料的电极。这些粉末在电池充电或放电期间具有电化学反应。不幸的是，为这种粉末提供高体积容量(每个单位容积的高离子存储能力)的材料在电池运行期间通常遭受体积变化，这可以导致电池劣化。另外，许多这种材料还遭受低传导性(至少在某些充电或放电阶段期间)，这可以导致功率性能较低。例如，在可充电金属和金属离子电池(例如，Li离子电池)的情形中，提供高容量的材料-例如转换型阴极材料(例如，氟化物、氯化物、溴化物、硫化物、硫、硒化物、硒、氧化物、氮化物、磷化物和氢化物以及用于Li离子电池的其他物质)、转换和合金型阳极材料(例如，硅、锗、锡、铅、锑、镁、铝、它们的氧化物、氮化物、磷化物和氢化物以及用于Li离子电池的其他物质)以及其他材料遭受至少某些这种限制。容积在离子(例如，金属离子)插入/提取期间发生变化，这可以导致在电池运行期间电极的机械和电学劣化以及(尤其是，在金属离子电池的阳极材料的情形中)固体电解质界面(SEI)的劣化。这转而通常导致电池劣化。这些材料中的某些还遭受活性材料与电解质之间的非期望反应(例如，在电池电解质中活性材料或中间反应产品的溶解)。这也可以导致电池劣化。需要进一步改进电池、成分和相关材料以及用于各种电池化工-包括但不限于可充电Li和Li离子电池的制造过程。
技术实现思路
在此公开的实施方式通过提供改进的电池成分、由所述电池成分制造而成的改进的电池以及使用改进的电池的方法来解决上述的问题。本专利技术提供了采用复合颗粒的电池电极成分和制造方法。每个复合颗粒都可以包括例如高容量活性材料和多孔导电骨架基体材料。所述活性材料可以在电池运行期间存储和释放离子并且具有(i)作为阴极活性材料至少220mAh/g的具体容量，或者(ii)作为阳极活性材料至少400mAh/g的具体容量。活性材料可以设置在骨架基体材料的孔隙中。根据各种设计，每个复合颗粒都可以具有从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的至少一个材料特性。附图说明给出附图来帮助描述本专利技术的实施方式，并且提供附图仅为了说明而非限制本专利技术。图1A-1D示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分，所述示例复合实施方式包括骨架基体材料以及限定在所述骨架基体内的高容量活性材料。图2A-2E示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分的不同方面，所述示例复合颗粒成分包括具有阶梯变化成分的骨架基体材料以及限定在所述骨架基体内的活性高容量材料。图3A-3D示出了根据某些示例实施方式的(复合颗粒成分的)骨架基体材料的选定机械特性的示例分布图。图4A-4D示出了根据某些示例实施方式的骨架基体材料的缺陷或功能群组的平均浓度沿着复合颗粒的半径的示例分布图。图5A-5C示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒和骨架基体成分，其中所述骨架基体材料的平均孔隙大小从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化。图6A-6C示出了根据某些示例实施方式的示例骨架基体成分内的平均孔隙大小沿着颗粒的半径方向的示例分布图。图7A-7C示出了根据某些示例实施方式的示例骨架基体成分内平均孔隙容积沿着颗粒的半径的示例分布图。图8A-8B示出了根据某些示例实施方式的示例骨架基体成分，其中所述骨架基体材料的孔隙朝向从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化。图9A-9D示出了根据某些示例实施方式的限定在骨架基体内的活性材料的示例成分，其中所述活性材料的成分从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化。图10A-10C示出了根据某些示例实施方式的活性材料的平均成分从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化的分布图的示例，其中所述活性材料被限定在骨架基体内。图11A-11D示出了根据某些示例实施方式的活性材料的选定机械特性(例如，图11A和11B中的硬度以及图11C和11D中的模量)分布图从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化的示例，其中所述活性材料限定在骨架基体内。图12A-12B示出了根据某些示例实施方式的活性材料的密度从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化的分布图的示例，其中所述活性材料限定在骨架基体内。图13A-13B示出了根据某些示例实施方式的活性材料相对于骨架基体(或者，如果复合物中存在，骨架基体以及复合物的剩余部分-包括保护覆盖物和保护壳或额外填充材料)的相对重量(Wa/Wsm)从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化的分布图的示例，其中所述活性材料限定在骨架基体内。图14A-14B示出了根据某些示例实施方式的活性材料(相对于复合物的总容积)的相对容积率(Va/Vo)从中心(核心)到周边沿着颗粒半径发生变化的分布图的示例，其中所述活性材料限定在骨架基体内。图15A-15D示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分，所述示例复合颗粒成分包含骨架基体材料和限定在所述骨架基体内的高容量活性材料以及封闭所述复合颗粒并且保护所述活性材料免于与电解质溶剂或周边环境发生不利的相互影响的保护壳。图16A-16D示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分，所述示例复合颗粒成分包含骨架基体材料和限定在所述骨架基体(和可选的保护壳)内的活性高容量材料并且具有粗糙或者表面积较大的外表面。图17A-17C示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分，所述示例复合颗粒成分包含骨架基体材料和限定在所述骨架基体内的高容量活性材料以及保护壳，并且其中传导性颗粒穿过所述壳层。图18和19示出了示例电池(例如，Li离子电池)构造块，其中两种不同电解质分别用于阳极和阴极，并且其中至少一种电解质是固体并且渗透到电极的单个颗粒之间的孔隙中。图20示出了示例电池(例如，Li离子电池)，其中在此描述的成分、材料、方法和其他技术或者它们的组合可以根据各种实施方式进行应用。具体实施方式在随后的描述和涉及本专利技术的具体实施方式的附图中公开了本专利技术的方面。术语“本专利技术的实施方式”不需要本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含复合颗粒的电池电极成分，每个复合颗粒都包含：设置成在电池运行期间存储和释放离子的高容量活性材料，其中所述活性材料具有(i)作为阴极活性材料至少220mAh/g的具体容量，或者(ii)作为阳极活性材料至少400mAh/g的具体容量；以及多孔导电骨架基体材料，在所述骨架基体材料的孔隙内设置有所述活性材料，其中每个复合颗粒都具有从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的至少一个材料特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.14 US 62/063,493;2015.10.13 US 14/882,1661.一种含复合颗粒的电池电极成分，每个复合颗粒都包含：设置成在电池运行期间存储和释放离子的高容量活性材料，其中所述活性材料具有(i)作为阴极活性材料至少220mAh/g的具体容量，或者(ii)作为阳极活性材料至少400mAh/g的具体容量；以及多孔导电骨架基体材料，在所述骨架基体材料的孔隙内设置有所述活性材料，其中每个复合颗粒都具有从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的至少一个材料特性。2.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述活性材料是阳极活性材料并且包含硅。3.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述活性材料是阴极活性材料并且包含氟。4.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述骨架基体材料包含碳。5.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述至少一个材料特性包括从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的骨架基体材料的材料成分。6.根据权利要求5所述的电池电极成分，其中所述每个复合颗粒进一步包括至少部分地包围所述活性材料和所述骨架基体材料的壳，所述壳对于由所述活性材料存储和释放的离子基本上是可渗透的并且在所述活性材料与电解质溶剂之间形成屏障。7.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述至少一个材料特性包括从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的骨架基体材料的机械特性。8.根据权利要求7所述的电池电极成分，其中所述机械特性包括在所述骨架基体材料的中心附近具有与所述骨架基体材料的周边相比较较低的弹性模量和较低硬度。9.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述至少一个材料特性包括从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的所述骨架基体材料的无序程度。10.根据权利要求1所述的电池电极成分，其中所述至少一个机械特性包括从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的所述骨架基体材料的平均孔隙大小。11.根据权利要求10所述的电池电极成分，其中与所述骨架基体材料的周边相比较，在所述骨架基体材料的中心附近所述平均孔隙大小较大。12.根据权利要求10所述的电池电极成分，其中与定位于所述中心与所述周边之间的所述骨架基体的中间区域相比较，在所述骨架基体材料的中心和所述骨架基体材料的周边附件所述平均孔隙大小较大。13.根据权利要求10所述的电池电极成分，其中在所述骨架基体材料颗粒的中心处所述平均孔隙大小在大约2nm到大约100nm之间的范围内。14.根据权利要求1所述的电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖尔普·禹沈，奥格·M·博迪切夫斯基，亚历山大·T·雅各布，阿尔伯·奈斯，戴米恩·哈里斯，伯格丹·茨迪尔科，
申请(专利权)人：新罗纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US