用于锂基储能装置的阳极及其制造方法制造方法及图纸

一种制造在储能装置中使用的阳极的方法包括提供具有导电层和覆盖在导电层之上的金属氧化物层的集流器。通过CVD工艺将连续的多孔锂储存层沉积在金属氧化物层上。在连续的多孔锂储存层的沉积完成之后并且在电池组装之前对阳极进行热处理。热处理包括将阳极加热至100℃至600℃范围内的温度并持续0.1分钟至120分钟范围内的时间段。阳极可以与阴极一起被并入到锂离子电池中。阴极可以包括硫或硒。还描述了具有至少两个补充层的阳极。讨论了制造在锂离子电池中使用的预锂化阳极的方法。造在锂离子电池中使用的预锂化阳极的方法。造在锂离子电池中使用的预锂化阳极的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂基储能装置的阳极及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年8月13日提交的编号为62/886,177的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。


[0003]本公开涉及锂离子电池和相关的储能装置。

技术介绍

[0004]已经提议硅作为潜在的用于锂离子电池的材料，来取代传统的碳基阳极，后者的储存容量限制在～370mAh/g。硅很容易与锂形成合金，并且具有比碳基阳极高得多的理论储存容量(室温下为～3600至4200mAh/g)。然而，在硅基体中插入和取出锂会导致显著的体积膨胀(>300％)和收缩。这会导致硅快速粉碎成小颗粒并与集流器电断开。
[0005]本行业最近已将注意力转向纳米或微米结构的硅以减少粉碎问题，即呈间隔开的纳米或微米线、管、柱、颗粒等形式的硅。该理论认为，将结构制成纳米尺寸避免了裂纹扩展，并且将它们间隔开可以为体积膨胀提供更多空间，从而使硅能够吸收锂而(例如与块体硅的宏观层相比)具有较小的应力和提高的稳定性。
[0006]尽管对结构化硅的方法进行了研究，但由于尚未解决的问题，这种仅基于硅的电池尚未产生大的市场影响。一个重要问题是形成这些阳极所需的投资和制造复杂性。例如，US20150325852描述了首先通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在纳米线模板上生长基于硅的非共形的多孔层然后使用热化学气相沉积(CVD)来沉积更致密的共形硅层而制成的硅。硅纳米线的形成可能对沉积条件中的小扰动非常敏感，这使得质量控制和再现性成为挑战。形成纳米或微米结构化硅的其他方法使用硅晶片的蚀刻，这既费时又浪费。此外，硅布线与集流器之间的连接本质上是脆弱的，并且当承受制造电池所需的操作应力时，这些结构容易断裂或磨损。

技术实现思路

[0007]对于用于诸如锂离子电池之类的锂基储能装置的阳极仍然存在需求，这种装置易于制造、操作稳健、充电容量高并且适合快速充电，例如至少1C。这些和其他需要通过本文描述的实施例来解决。
[0008]根据本公开的实施例，一种制造在储能装置中使用的阳极的方法包括提供集流器，该集流器具有导电层和覆盖在该导电层之上的金属氧化物层。金属氧化物层具有至少0.01μm的平均厚度。通过CVD工艺在金属氧化物层上沉积连续的多孔锂储存层。在连续的多孔锂储存层的沉积完成之后并且在电池组装之前对阳极进行热处理。所述热处理包括将阳极加热至100℃至600℃范围内的温度并持续0.1分钟至120分钟范围内的时间段。阳极可以与阴极一起被并入锂离子电池中。阴极可以包括硫或硒并且阳极可以被预锂化。
[0009]根据本公开的实施例，提供了一种用于储能装置的阳极，其包括具有金属氧化物
层的集流器。连续的多孔锂储存层覆盖所述金属氧化物层，第一补充层覆盖所述连续的多孔锂储存层。所述第一补充层包括氮化硅、二氧化硅或氮氧化硅。
[0010]根据本公开的另一个实施例，提供了一种用于储能装置的阳极，其包括具有金属氧化物层的集流器，覆盖所述金属氧化物层的连续的多孔锂储存层，覆盖所述连续的多孔锂储存层的第一补充层，以及覆盖所述第一补充层的第二补充层。第一补充层包括氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或第一金属化合物。第二补充层的特征在于组成不同于第一补充层的组成，并且包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或第二金属化合物。第一补充层或第二补充层中的一个包括二氧化钛并且具有在约2nm至约50nm范围内的厚度。
[0011]根据本公开的另一个实施例，一种制造在锂离子电池中使用的预锂化阳极的方法包括提供具有导电层和覆盖所述导电层的金属氧化物层的集流器。所述金属氧化物层具有至少0.01μm的平均厚度。通过CVD工艺在金属氧化物层上沉积连续的多孔锂储存层。当阳极被组装到电池中时，在第一次电化学循环之前，将锂掺入所述连续的多孔锂储存层中以形成锂化储存层。阳极可以与阴极一起被整合到锂离子电池中。阴极可以包括硫或硒并且阳极可以被预锂化。
[0012]本公开提供用于能量存储装置的阳极，其相对于常规阳极可以具有至少以下优点中的一个或更多个：在≥1C强充电速率下提高的稳定性；更高的总表面电荷容量(overall areal charge capacity)；每克硅的充电容量更高；提高的物理耐久性；简化的制造工艺；以及更可重复的制造工艺。
附图说明
[0013]图1是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0014]图2是现有技术阳极的截面图。
[0015]图3是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0016]图4是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0017]图5是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0018]图6是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0019]图7A是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0020]图7B是根据本公开的一些实施例的阳极的截面图。
[0021]图8是根据本公开的某些实施例的制备阳极的工艺流程图。
[0022]图9A是根据本公开的一些实施例的用于阳极的卷对卷加工的设备的示意图。
[0023]图9B是根据本公开的一些实施例的用于阳极的卷对卷加工的设备的示意图。
[0024]图10是根据本公开的一些实施例的电池的截面图。
[0025]图11示出了根据本公开的一些实施例的阳极的循环性能数据。
[0026]图12示出了根据本公开的一些实施例的阳极的循环性能数据。
[0027]图13示出了根据本公开的一些实施例的阳极的循环性能数据。
[0028]图14示出了根据本公开的一些实施例的阳极的循环性能数据。
具体实施方式
[0029]应当理解，附图是为了说明本公开的构思并且可以不是按比例的。
[0030]阳极概述
[0031]图1是根据本公开的一些实施例的截面图。阳极100包括导电集流体101和连续的多孔锂储存层107。在该实施例中，导电集流体101包括设置在导电层103(例如导电金属层)之上的金属氧化物层105。连续的多孔锂储存层107被设置在金属氧化物层105之上。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层107的顶部对应于阳极100的顶表面108。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层107与所述金属氧化物层物理接触。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层的活性材料可以部分地延伸到金属氧化物层中。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层包括能够与锂形成电化学可逆合金的材料。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层包括硅、锗、锡或其合金。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层包含至少40原子％的硅、锗或其组合。在一些实施例中，连续的多孔锂储存层是由化学气相沉积(CVD)工艺提供的，所述工艺包括但不限于热丝CVD(hot
‑
wire CVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在一些实施例中，CVD储存层沉积工艺可以将金属氧化物层的一部分还原为金属。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造在储能装置中使用的阳极的方法，该方法包括：提供集流器，其包括导电层和覆盖在所述导电层之上的金属氧化物层，其中所述金属氧化物层具有至少0.01μm的平均厚度；通过CVD工艺在所述金属氧化物层上沉积连续的多孔锂储存层；以及在所述连续的多孔锂储存层的沉积完成之后并且在电池组装之前对所述阳极进行热处理，其中，所述热处理包括将所述阳极加热至100℃至600℃范围内的温度并持续0.1分钟至120分钟范围内的时间段。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理在氧和水的分压均小于1托的环境中进行。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述热处理在氩气、氮气或真空中进行。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度范围为350℃至600℃。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述时间段在0.1分钟至30分钟的范围内。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CVD工艺是PECVD工艺。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述连续的多孔锂储存层具有至少40原子％的硅、锗或其组合的总含量。8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述连续的多孔锂储存层包含至少85原子％的非晶硅，其密度在1.1g/cm3至2.2g/cm3的范围内。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电层包括镍或铜。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述金属氧化物层包括过渡金属氧化物。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述过渡金属氧化物是镍或钛的氧化物。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电层包括铜，并且所述金属氧化物层包括厚度在0.01μm至0.20μm范围内的钛氧化物。13.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述热处理步骤之前在所述连续的多孔锂储存层上沉积锂金属层。14.根据权利要求1所述的方法，还包括在热处理之后至少将所述阳极部分地预锂化以形成锂化储存层。15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理包括将所述阳极转移至烘箱、将所述阳极暴露于IR辐射或使所述阳极与加热表面接触。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理：(i)提高所述连续的多孔锂储存层的电导率；(ii)提高所述连续的多孔锂储存层对于所述集流器的附着力；或者(iii)形成在锂离子电池单元中充电容量比未接受所述热处理步骤的对应阳极更高的阳极；(iv)形成在锂离子电池单元中能够比未接受所述热处理步骤的对应阳极更快地进行充电的阳极；或者(v)(i)、(ii)、(iii)或(iv)的任意组合。17.一种锂离子电池，包括阴极和阳极，其中，阳极由权利要求1的方法制成。18.根据权利要求17所述的锂离子电池，其中，所述阴极包括硫、硒或者硫和硒两者，并
且所述阳极至少部分地被预锂化以形成锂化储存层。19.根据权利要求18所述的锂离子电池，其中，所述锂化储存层包括的锂在所述连续的多孔锂储存层的理论锂储存容量的50％至100％范围内。20.根据权利要求17所述的锂离子电池，其中，所述电池的特征在于充电速率为至少1C，充电容量为每平方厘米阳极至少2.0mAh。21.一种用于储能装置的阳极，包括：集流器，包括金属氧化物层；覆盖所述金属氧化物层的连续的多孔锂储存层；和覆盖所述连续的多孔锂储存层的第一补充层，该第一补充层包括氮化硅、二氧化硅或氮氧化硅。22.根据权利要求21所述的阳极，其中，所述第一补充层包括基本化学计量的氮化硅，并且所述第一补充层具有在约2nm至约50nm范围内的厚度。23.根据权利要求21所述的阳极，其中，所述第一补充层包括基本化学计量的二氧化硅，并且所述第一补充层具有在约10nm至约150nm范围内的厚度。24.根据权利要求21所述的阳极，还包括覆盖所述第一补充层的第二补充层，其中所述第二补充层的特征在于组成不同于所述第一补充层的组成，并且所述第二补充层包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或金属化合物。25.根据权利要求24所述的阳极，其中，所述金属化合物包括金属氧化物、金属氮化物或金属氮氧化物，并且其中所述第二补充层具有在约2nm至约50nm范围内的厚度。26.根据权利要求25所述的阳极，其中，所述第一补充层包括氮化硅，并且所述第二补充层包括二氧化钛。27.根据权利要求24所述的阳极，其中，所述金属化合物包括含锂材料。28.根据权利要求27所述的阳极，其中，所述含锂材料包括锂磷氮氧化物、锂磷酸盐、锂铝氧化物或锂镧钛酸盐。29.根据权利要求28所述的阳极，其中，所述第二补充层具有在约5nm至约150nm范围内的厚度。30.根据权利要求24所述的阳极，其中，所述金属化合物包括有机金属聚合物。31.根据权利要求24所述的阳极，还包括覆盖所述第一补充层和第二补充层的一个或更多个附加补充层，其中所述附加补充层中的至少一个包括金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物、含锂材料或有机金属聚合物。32.根据权利要求21所述的阳极，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：格拉芬尼克斯开发公司，
类型：发明
国别省市：