电池制造技术

电池及其形成方法包括锂阳极、对锂离子和氧具有高溶解度的电解质以及在衬底上形成的薄石墨烯阴极。锂离子从锂阳极穿过电解质迁移，从而在薄石墨烯阴极的表面形成Li2O2。

Battery

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电池背景
本专利技术通常涉及电池，并且更具体地，涉及薄碳阴极在锂-氧电池中的用途。
技术介绍
锂离子电池在诸如消费电子，汽车，医疗设备和家庭能量存储之类的领域中很普遍。在锂离子插入反应中，可插入主体阴极中的锂离子的数量决定了电池中存储的能量。结果，需要大的阴极以增加电池的存储容量。因此，在提供有用的能量密度的同时，可以制造出有效的锂离子电池能多小的限制。锂氧电池化学物质具有比最常用的阴极材料之一更高的重量和体积能量密度(例如，相对于仅阴极质量或体积，分别具有约3,213Wh/kg和约7,422Wh/L)。LiCoO2(例如，仅相对于阴极质量或体积，分别为约1,095Wh/kg和约5,543Wh/L)。因此，锂氧电池提供了进一步小型化的途径，从而在不牺牲能量容量的情况下减小了电池的重量和体积。然而，现有的锂-氧电池实施方案使用大的多孔阴极，这对于小型化应用仍然具有体积上的缺点。
技术实现思路
电池包括锂阳极，对锂离子和氧具有高溶解度的电解质以及形成在衬底上的薄石墨烯阴极。锂离子从锂阳极穿过电解质迁移，从而在薄石墨烯阴极的表面形成Li2O2。电池包括：锂阳极，对锂离子和氧具有高溶解度的电解质，由金属网形成的电解质中的集电器，以及由单层或双层石墨烯材料形成在衬底上的薄石墨烯阴极。锂离子从锂阳极穿过电解质迁移，从而在薄石墨烯阴极的表面形成Li2O2。形成电池的方法包括在基板上形成薄石墨烯阴极。提供锂阳极，并在薄石墨烯阴极和锂阳极之间提供电解质。通过下面结合附图对示例性实施例的详细描述，这些和其他特征和优点将变得显而易见。附图说明以下描述将参考以下附图提供优选实施例的细节，其中：图1是根据本专利技术的一个实施方案的具有薄石墨烯阴极的锂-氧电池的截面图。图2是根据本专利技术实施例形成的具有薄石墨烯阴极的锂氧电池的方法的框图/流程图；以及图3是说明根据本专利技术的实施例的与使用裸衬底相比在锂-氧电池中使用薄石墨烯阴极的效果的图。具体实施方式本专利技术的实施方案采用由例如具有几个原子厚度的石墨烯形成的薄阴极层，以形成锂-氧电池，用作溶液介导的锂-氧电池放电反应的成核种子。因此，本实施方案提供大于约0.05mAh/cm2的阴极容量，这是用相似体积的LiCoO2与Li2O2获得的LiCoO2的阴极容量的两倍。当包括放电产物的重量时，本专利技术的实施例还提供了每阴极质量的重量能量密度，其为LiCoO2的2000倍，每阴极质量的四倍。现在参考图1，示出了锂氧电池100的截面图。阳极102通过电解质104和隔板106与阴极108分开。电解质104提供了用于在放电反应期间使载流子从阳极102向阴极108移动的导电通道。隔板106是不导电的多孔结构，其防止阳极102和阴极108彼此电接触。在一些实施例中，电解质104是流体。在其他实施例中，电解质104是固体材料，其也起隔膜106的作用。阴极108形成在衬底层110上，该衬底层110可以是柔性的或刚性的，导电的或非导电的，平坦的或粗糙的，即用于转移阴极108。在一个特定的实施例中，阳极102由一层锂金属形成，但是应当理解，可以替代地使用诸如钠或其他碱金属的其他材料。在一个特定实施例中，阴极108由石墨烯形成，石墨烯是可以形成为单个原子的厚度的非常薄的碳物质。在一个特定实施例中，隔板106可以是多孔聚合物膜，例如聚乙烯或聚丙烯或石英(SiO2)微纤维过滤器，并且可以以约25μm至450μm之间的厚度形成。在具有机械强度的实施例中，固态电解质(其可以用作隔板)104可以薄至数百纳米。在一特定实施例中，衬底110可由例如硅或二氧化硅晶片，不锈钢垫，玻璃或聚酰亚胺膜形成。在一个特定的实施方式中，电解质104由适当的液体电解质材料形成，例如，具有LiNO3或(双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂)(LiTFSI)作为盐并与1,2-混合的溶液二甲氧基乙烷(DME)或四甘醇二甲醚(TEGDME)作为溶剂。该电解质增强了单层和双层石墨烯阴极中的电池容量，并且在形成Li2O2期间具有中间物质(例如，Li+和O2-)的高溶解度。因为中间物质可以在放电过程中溶解到电解质中，所以这些物质可以迁移更远以形成更大的Li2O2颗粒，而不是沉淀成膜并使钝化阴极表面。这样的电解质可以进一步包含少量的水。集电器107位于电解质104中，并且在一些实施例中，可以由不锈钢或钛形成。特别预期的是，集电器107可以由例如由不会与电解质104反应或以其他方式腐蚀的任何合适的金属或其他导体形成的导线网形成。集电器107可以包括具有小于约38μm的开口的网。此尺寸仅是一个示例，更细的网格将提供更好的电子分布。集电器107离开电池100以连接到外部电路。应当理解，本专利技术的实施方式仅示出了在电池中使用薄碳阴极的一种可能的实例。特别地考虑到，在该实施例中，阴极108可以通过例如化学气相沉积(CVD)或任何其他适当的机制形成在铜层上。例如，可以通过碳CVD在铜层上形成石墨烯层，其中碳原子自组织成一个或多个原子厚的平板。一些实施例可以直接采用铜层作为衬底110。但是，实验证据表明，石墨烯/铜电极显示出Li2O2的形成直到2.1V，然后在低于2.1V的电位下由铜进行电化学反应。因此，本实施例将石墨烯转移到替代的衬底材料。因此，阴极108可被安装到由例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)或对铜层具有蚀刻选择性的任何其他合适的材料形成的中间处理层。然后使用例如FeCl3蚀刻掉铜层，从而允许阴极108移动到衬底层110。然后使用例如对于PMMA的丙酮或对于EVA的二甲苯，蚀刻去除处理层。阴极108可以固定在电池100上。这种制造和运输阴极108的方法的优点在于，它不需要像锂离子阴极那样进行高温退火，并且阴极108可以是转移到非导电或导电表面。但是，这仅说明了一种用于形成薄阴极层的可能方法—可以使用任何其他适当的方法代替。在一些实施例中，阴极可为约1nm和约2nm厚。在锂氧电池的工作过程中，锂离子从阳极102到阴极108穿过电解质扩散，在此处它与阴极108的氧反应并形成Li2O2。正离子的这种移动伴随着电子在集电器107中向装置100的流动，这代表放电作用。在该放电作用期间，Li2O2累积在阴极108的表面上。现在参考图2，示出了一种制造电池的方法。框202在第一衬底上形成阴极108。如上所述，特别考虑到阴极108可以由石墨烯形成并且可以非常薄(例如，在大约1nm和2nm之间)，并且第一衬底可以是例如铜或镍。可以通过CVD或允许阴极材料的原子(例如，碳)如此自组织在第一基板的表面上的任何其他合适的沉积工艺来形成阴极108。CVD是一种沉积工艺，其中，由于气态反应物之间在高于室温(例如，从大约25℃到大约900℃)的化学反应而形成沉积物。反应的固体产物沉积在要形成固体产物的膜，涂层或层的表面上。CVD工艺的变化包括但不限于大气压CVD(APCVD)，低压CVD(LPCVD)，等离子增强CVD(PECVD)和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池，包括：/n锂阳极；/n对锂离子和氧具有高溶解度的电解质；以及/n形成在衬底上的薄石墨烯阴极，使得锂离子从锂阳极穿过电解质迁移，从而在薄石墨烯阴极的表面形成Li

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170622 US 15/629,8931.一种电池，包括：
锂阳极；
对锂离子和氧具有高溶解度的电解质；以及
形成在衬底上的薄石墨烯阴极，使得锂离子从锂阳极穿过电解质迁移，从而在薄石墨烯阴极的表面形成Li2O2。


2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述薄石墨烯阴极是选自由单层石墨烯和双层石墨烯组成的组中的材料。


3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电解质包括1,2-二甲氧基乙烷。


4.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电解质包括四甘醇二甲醚。


5.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电解质包含选自LiNO3和(双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂)组成的组中的溶质。


6.根据权利要求1所述的电池，还包括集电器，所述集电器位于所述阴极与隔板之间或在所述阴极与所述电解质之间。


7.根据权利要求6所述的电池，其中，所述集电器是由选自不锈钢和钛的材料形成的金属网，并且其中所述金属网具有小于约38μm的开口。


8.根据权利要求1所述的电池，还包括：
由金属网形成的电解质中的集电器；其中，所述薄石墨烯阴极由单层或双层石墨烯材料形成。


9.根据权利要求8所述的电池，其中，所述电解质选自由1,2-二甲氧基乙烷和四甘醇二甲醚组成的组。


10.根据权利要求9所述的电池，其中，所述电解质包含选自LiNO3和(双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂)组成的组中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉述仁，D·B·法梅，D·吴，H·T·莫内，C·埃克根，E·埃克卡，G·德米西，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，阿塞桑电子莎娜依和提卡瑞特有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US