预循环的硅电极制造技术

在一实施例中，电极包括电流收集器和位于电流收集器的至少一侧上并与电流收集器电连通的活性层。活性层包括粘合剂和膨胀硅。其中活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。在另一实施例中，一种形成电极的方法包括由预循环的膨胀硅形成电极。

【技术实现步骤摘要】
预循环的硅电极
技术介绍
用于商业锂离子电池的负电极的当前材料通常依赖于石墨作为活性层。遗憾地是，石墨的理论比容量仅为372毫安小时/克(mAh/g)，这不能满足新一代高容量锂离子电池的开发要求。在开发用于负电极的新材料时，已经提出了硅，因为硅的理论锂存储容量明显更高，为4,200mAh/g，并且锂脱锂电压平台较低(相对于Li参考电极约为0.4伏)。尽管已经准备了一些硅电极，但是仍然有许多障碍需要克服。因此，期望提供一种改进的硅电极。
技术实现思路
在一个示例性实施例中，膨胀硅电极包括电流收集器和位于该电流收集器上并与该电流收集器电连通的活性层。活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂。膨胀硅具有分子式(formular)LixSi，其中0≤x≤3.75。相对于使用前的活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。除了本文所述的一个或多个特征之外，基于膨胀硅的总体积，膨胀硅具有60至90体积％或70至80体积％的孔体积。除了本文所述的一个或多个特征之外，膨胀硅具有为10至600m2/g或150至500m2/g的每单位质量的BET表面积。除了本文所述的一个或多个特征之外，基于活性层的总重量，活性层包括60至99重量％或70至95重量％的膨胀硅。除了本文所述的一个或多个特征之外，膨胀硅还包括碳涂层或氧化铝涂层中的至少一种。除了本文所述的一个或多个特征之外，粘合剂包含含氟聚合物、橡胶、聚(酰胺酸)、聚酰亚胺、聚酰胺、酚醛树脂、纤维素基粘合剂、聚(丙烯酸)、聚丙烯腈、藻酸盐基粘合剂或环氧树脂中的至少一种。除了本文所述的一个或多个特征之外，活性层还包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种。除了本文描述的一个或多个特征之外，电极是负电极。在另一个示例性实施例中，电池包括正电极、膨胀硅负电极以及位于正电极和膨胀硅负电极之间的隔板。膨胀硅负电极包括电流收集器和位于电流收集器的至少一侧上并与电流收集器电连通的活性层。活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂，其中膨胀硅具有分子式LixSi，其中0≤x≤3.75。相对于使用前的活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。除了本文所述的一个或多个特征之外，电池是锂离子电池。在又一示例性实施例中，一种形成用于电极的活性层的方法包括将初始硅对锂从第一电压电化学循环到第二电压至少两次以形成膨胀硅。在电化学循环之后，膨胀硅具有分子式LixSi，其中0≤x≤3.75。膨胀硅可以用惰性溶剂洗涤。形成包括膨胀硅、粘合剂和可选的溶剂的混合物，并且由该混合物形成活性层。相对于使用前的活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。除了本文所述的一个或多个特征外，电化学循环发生在电化学电池中，该电化学电池包括两个并联的工作电极电流收集器、锂对电极；其中两个工作电极电流收集器定位为使得它们保持与初始硅的电连通，并且在电化学循环期间增加它们之间的相对距离以形成膨胀硅。除了本文所述的一个或多个特征之外，电化学电池还包括分散在初始硅中的导电惰性颗粒。除了本文描述的一个或多个特征之外，电化学循环还包括从高电压循环到低电压并回到高电压两次或更多次。除了本文描述的一个或多个特征之外，电化学循环包括以恒定电流从高电压循环到低电压，并且其中电化学循环包括将低电压保持一时间量以允许电流从低电压循环回高电压之前下降。除了本文所述的一个或多个特征之外，循环包括最终循环，其中最终电压达到使得一定量的锂保留在膨胀硅中，使得0<x≤3.75。除了本文描述的一个或多个特征之外，基于初始硅的总重量，初始硅包含大于或等于95重量％的硅。除了本文描述的一个或多个特征之外，该方法包括蚀刻初始硅或膨胀硅中的至少一个以浸出杂质。除了本文所述的一个或多个特征之外，混合物还包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种。除了本文描述的一个或多个特征之外，膨胀硅的体积大于初始硅的体积的100％。当结合附图和权利要求书时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将容易是显而易见的。附图说明其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，在附图中：图1是用于形成膨胀硅的电化学电池。具体实施方式以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开，其应用或用途。尽管硅由于其高的重量能量密度是用于电极中的有吸引力的材料，但是由硅形成的电极在初始电池循环期间经历显著的体积膨胀。例如，在锂化时，电极中的硅层可溶胀超过300体积％。硅层的体积膨胀不合需要地导致沉积在其上的保护层破裂，从而降低了保护层以及最终电极的有效性。已经发现，可以通过由预循环的膨胀硅形成硅电极来防止/最小化硅电极的体积膨胀。以这样的方式，硅电极中的膨胀硅已经经历了电池中在使用中以其他方式会经历的任何膨胀。因此，膨胀硅电极中的活性层可以相对于在电池中使用之前的活性层的初始体积膨胀小于或等于10体积％，或0至10体积％，或0至5体积％，或0至1体积％。形成用于电极的活性层的方法可以包括将初始硅对锂从第一电压进行电化学循环以形成膨胀硅。可以形成包括膨胀硅、粘合剂、可选的导电填料和可选的溶剂的混合物，然后可以由该混合物形成活性层。当使用时，所得的活性层可膨胀小于或等于10体积％。本专利技术的膨胀硅电极提供了各种益处和优点，包括降低了位于膨胀硅上的保护层破裂的可能性以及增强的电极完整性。例如，由未预膨胀的涂覆的多孔硅颗粒形成电极将在电池初始循环期间当使用时由于硅颗粒膨胀而导致涂层开裂。此外，由膨胀硅颗粒形成膨胀硅电极的该方法具有优于形成硅电极和膨胀电极中的硅的优点，在于难以在对已形成层具有高表面覆盖率的硅表面上施加保护涂层，因为难以在涂层的内表面进行涂覆。形成膨胀硅的方法可以包括电化学循环初始硅以形成膨胀硅。基于初始硅的总重量，初始硅可包括85至小于100重量％、或大于或等于95重量％、或99至99.99999重量％、或99.5至99.9重量％的硅。硅可以是包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种的硅合金。基于初始硅的总重量，初始硅可包括合金材料的0至5重量％或0.1至1重量％。本方法的优点在于，初始硅可以包括较低等级的硅，因为在电化学循环期间或随后的洗涤步骤中可以容易地去除杂质。初始硅可以包括颗粒硅或硅纤维(例如，纳米纤维)中的至少一种。硅颗粒的最长尺寸或硅纳米纤维的直径可以小于或等于40微米，或10纳米至10微米，或0.1至30微米。初始硅的单位质量表面积可以为使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)理论确定的1到100平方米/每克(m2/g)，或者1到80m2/g，或者1到60m2/g，或者1到50m2/g，或者1至30m2/g，或1至10m2/g，或1至5m2/g，或2至4m2/g。初始硅可以是部分结晶或完全结晶的。初始硅也可以是涂覆的硅(例如，碳涂覆的硅)。基于涂覆的硅的总重量，涂覆的硅可包括小于或等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膨胀硅电极，包括：/n电流收集器；和/n活性层，位于电流收集器上并与电流收集器电连通；其中活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂，其中膨胀硅具有分子式Li

【技术特征摘要】
20190610 US 16/436,1731.一种膨胀硅电极，包括：
电流收集器；和
活性层，位于电流收集器上并与电流收集器电连通；其中活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂，其中膨胀硅具有分子式LixSi,其中0≤x≤3.75；
其中相对于使用前活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％；和
其中电极可选地是负电极。


2.根据权利要求1所述的膨胀硅电极，其中，膨胀硅具有以下中的至少一个：基于膨胀硅的总体积的60至90体积％或70至80体积％的孔体积；为10至600平方米/克，或150至500平方米/克的每单位质量的BET表面积；碳涂层；或氧化铝涂层。


3.根据权利要求1所述的膨胀硅电极，其中，所述活性层中的至少一个包括基于所述活性层的总重量的60至99重量％或70至95重量％的膨胀硅；或其中粘合剂包含含氟聚合物、橡胶、聚(酰胺酸)、聚酰亚胺、聚酰胺、酚醛树脂、纤维素基粘合剂、聚(丙烯酸)、聚丙烯腈、藻酸盐基粘合剂或环氧树脂中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的膨胀硅电极，其中，所述活性层还包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种。


5.一种电池，包括：
正电极、膨胀硅负电极以及位于该正电极与膨胀硅负电极之间的隔板；
其中，所述膨胀硅负电极包括电流收集器和位于该电流收集器的至少一侧上并与所述电流收集...

【专利技术属性】
技术研发人员：MW沃布鲁格，X黄，R凯，
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