改进的高容量充电电池制造技术

描述了用于锂离子电池的电活性电极材料、锂离子电池以及用于形成电化学活性材料电极材料的方法。电极材料为由阀金属材料形成的片或垫的形式，阀金属材料由横截面不大于约10微米的阀金属的细丝形成，并涂覆有诸如硅纳米颗粒的电化学活性材料。

Improved high capacity rechargeable battery

An electroactive electrode material for lithium ion batteries, a lithium ion battery and a method for the formation of electrode materials for electrochemical active materials are described. The electrode material is the form of sheet or pad formed by the valve metal material. The valve metal material is formed by the filaments of the valve metal with no cross section of about 10 microns, and coated with electrochemical active materials such as silicon nanoparticles.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的高容量充电电池
技术介绍
高容量充电电池的需求是强劲的并且每年都在增长。诸如航空航天、医疗设备、便携式电子设备和汽车应用等许多应用都需要高重量和/或体积容量的电池。锂离子电极技术可以在这方面提供重大改进。但是，迄今为止，使用石墨的锂离子电池仅限于372mAh/g的理论比能量密度。硅、锗、锡和许多其他材料是有吸引力的活性材料，因为它们具有高电化学容量。例如，硅具有约4200mAh/g的理论容量，其对应于Li4.4Si相。然而，这些材料中的许多在商业锂离子电池中并未广泛使用。一个原因是这些材料中的一些在循环过程中呈现显著的体积变化。例如，充电到理论容量时，硅会膨胀多达400％。这种大小的体积变化会在活性材料结构中引起显著的应力，导致断裂和粉碎、电极内的电和机械连接的损失以及容量衰减。常规电极包括用于将活性材料保持在基底上的聚合物粘合剂。大多数聚合物粘合剂的弹性不足以适应一些高容量材料的大的溶胀。结果，活性材料颗粒倾向于彼此分离和与集电器分离。总的来说，需要在电池电极中高容量活性材料的改进的应用，以最小化上述缺陷。现有技术的上述讨论来源于美国专利8,257,866和8,450,012，其中专利技术人提出通过提供电化学活性电极材料来解决现有技术材料的弹性和膨胀问题，所述电化学活性电极材料包括包含金属硅化物的高表面积模板和沉积在模板上的高容量活性材料层。据报道，该模板用作活性材料和/或活性材料和例如基底之间的电导体的机械支撑。根据专利技术人，由于模板的高表面积，即使活性材料的薄层也可以提供足够的活性材料负载和相应的每单位表面积的电极容量。如此，活性材料层的厚度可以保持足够小，以低于其断裂阈值，从而在电池循环期间保持其结构完整性。活性层的厚度和/或组成也可以被特定地形成轮廓，以减少基底界面附近的膨胀并保持界面连接。本专利技术通过提供由按照本专利技术人的在先美国专利5,034,857和8,673,025的教导生产的阀金属钽或其它阀金属的极细丝形成的电极来克服现有技术的上述和其它缺点，在先美国专利5,034,857和8,673,025的内容通过参考并入本文。在本专利技术人的之前的美国专利号5,034,857中，专利技术人公开了一种生产用于电容器应用的非常精细的阀金属丝例如钽的方法。细丝相对于细粉末的优点是纯度更高、成本更低、横截面均匀、易于介电渗透，同时仍保持用于阳极化的高表面积。横截面的均匀性导致电容器具有高比能量密度、较低的ESR和ESL以及与细粉末成形体相比对形成电压和烧结温度的较低敏感性。正如专利技术人在上述'857号美国专利中所公开的那样，阀金属丝，优选钽，是通过将阀金属的细丝与韧性金属结合在一起而制成的，以便形成坯料。其次，韧性金属不同于形成细丝的金属。细丝基本上是平行的，并且彼此分开，并且通过第二韧性金属从坯料表面分离。通过常规手段(例如挤出和拉丝)将坯料缩小到细丝直径在0.2-5.0微米范围内的点。此时，将第二韧性金属去除，优选通过浸入无机酸中，使阀金属丝保持完整。这些细丝适用于钽电容器的制造。涉及阀金属丝和纤维、其制造或由其制造的制品的其他专利包括美国专利号3,277,564(Webber)、3,379,000(Webber)、3,394,213(Roberts)、3,567,407(Yoblin)、3,698,863(Roberts)、3,742,369(Douglass)、4,502,884(Fife)、5,217,526(Fife)、5,306,462(Fife)、5,284,531(Fife)和5,245,514(Fife)。另见专利技术人在先的美国专利号5,869,196，其中专利技术人描述了用于在电解电容器制造中用作多孔金属压块的精细阀金属丝的制造工艺。根据专利技术人的'196专利，一种由阀金属、优选钽的多根细丝组成的金属坯料被容纳在韧性金属(优选铜)内并由其隔开。通过例如挤出和拉丝等常规手段减少坯料，将所得到的复合产品切割成一定长度，并通过在酸中浸析来去除分隔阀金属组分的韧性金属。通过在卷芯上提供层压在一起的钽和铜薄片的连续层来制造复合材料的类似的压实技术已经被提出了。然后通过挤压和拉伸将卷芯减小到小尺寸。从钽和铜的薄片开始比使用细丝具有优势。然而，在尺寸减小的情况下，由于存在连续的钽层，铜不容易被浸出。而且，在专利技术人的在先美国专利8,858,738中，专利技术人描述了对现有技术的改进，正如在专利技术人的'196专利中所描述的那样，通过在起始坯料阶段中形成一个或多个开口槽并在挤压和拉拔之前用韧性金属填充所述槽。挤压和拉拔成小尺寸后，槽仍然存在。结果，韧性金属容易从钽层之间浸出和去除。所得到的产品是一系列逐渐具有较小宽度的压制钽层。在专利技术的一个实施方式中，钽和铜的连续层在卷芯中一起层叠并形成为横截面为圆形的坯料，并且这些槽围绕坯料径向同心地均匀隔开。所得到的产品是一系列同心分开的管子，每个管子朝向中心逐渐地具有较小的直径。如在专利技术人的'738专利中所描述的，采用与细丝相反的钽箔或钽片极大地简化了坯料的组装。使用薄片钽也确保了更大的均匀性，因为与使用多个单独的细丝相比，可以更容易地控制起始片的厚度。这又相应产生基本上更均匀的电容器材料，导致CV/g的值明显更高。也参见专利技术人的在先美国专利8,257,866和PCT/US2008/086460。
技术实现思路
现在专利技术人已经发现，如在专利技术人的上述美国专利中所描述的，由极细的阀金属丝形成的电极可以有利地用作高容量充电电池、特别是锂离子充电电池的电极材料。一方面，本专利技术提供了与锂离子电池一起使用的电活性电极材料，电化学活性材料电极材料包括由阀金属的细丝形成的阀金属材料形成的片材或垫，阀金属细丝横截面不大于约10微米，并用电化学活性材料涂覆。在另一实施方式中，阀金属选自由钽、铌、钽合金、铌合金、铪、钛和铝组成的组。在另一实施方式中，细丝具有小于约5-10微米、优选小于约1微米的厚度。在另一实施方式中，电化学活性材料包括硅纳米颗粒。在又一实施方式中，电极材料被形成为阳极。本专利技术还提供一种形成用于形成锂离子电池的电极基底的方法，包括以下步骤：(a)在韧性材料的坯料中建立阀金属的多个组件；(b)对坯料进行一系列的减小步骤，以将所述阀金属组件形成为细长元件；(c)将步骤(b)中的细长元件切割成不大于约10微米的细丝，并从元件浸出韧性材料；(d)用水冲洗来自步骤(c)的切割元件，以形成细丝在其中均匀分布的浆液；(e)通过铸造将来自步骤(d)的切割元件形成为稳定垫；和(f)用电化学活性材料涂覆步骤(e)得到的垫。在一个实施方式中，阀金属选自由钽、铌、钽合金、铌合金、铪、钛和铝组成的组。在另一实施方式中，细丝具有小于约5-10微米、优选小于约1微米的厚度。在又一实施方式中，电化学活性材料包括硅纳米颗粒、锗或锡。在又一实施方式中，电活性电极材料被形成为阳极。本专利技术还提供一种锂离子电池，其包括含有彼此分离的阳极和阴极的组件以及电解质，其中阳极由权利要求1所述的电活性电极材料形成。在一个实施方式中，阀金属选自由钽、铌、钽合金、铌合金、铪、钛和铝组成的组。在另一实施方式中，细丝具有小于约5-10微米、优选小于约1微米的厚度。在又一实施方式中，电化学活性材料包含硅纳米颗粒。附图说明从以下结合附图的详细描述中可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂离子电池的电活性电极材料，该电化学活性材料电极材料包括由阀金属材料形成的片或垫，阀金属材料由横截面不大于约10微米并涂覆有电化学活性材料的阀金属细丝形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.15 US 62/162,0641.一种用于锂离子电池的电活性电极材料，该电化学活性材料电极材料包括由阀金属材料形成的片或垫，阀金属材料由横截面不大于约10微米并涂覆有电化学活性材料的阀金属细丝形成。2.根据权利要求1所述的电活性电极材料，其中阀金属选自由钽、铌、钽合金、铌合金、铪、钛和铝组成的组。3.根据权利要求1所述的电活性电极材料，其中细丝具有小于约5-10微米的厚度。4.根据权利要求1所述的电活性电极材料，其中细丝具有低于约1微米的厚度。5.根据权利要求1所述的电活性电极材料，其中电化学活性材料包含硅纳米颗粒。6.根据权利要求1所述的电活性电极材料，其形成为阳极。7.一种形成用于形成锂离子电池的电极基底的方法，包括以下步骤：（g）在韧性材料的坯料中建立阀金属的多个组件；（h）将坯料进行一系列减小步骤，以将所述阀金属组件形成为细长元件；（i）将步骤（b）中的细长元件切割成不大于约10微米的细丝，并从元件中浸出韧性材料；（j）用水冲洗来自步骤（c）的切割元件，以形成细丝在其中均匀分布的浆...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·翁，大卫·弗罗斯特，
申请(专利权)人：复合材料技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US