在硅占主导的阳极电池中使用具有杂质的硅制造技术

用于在硅占主导的阳极电池中使用具有杂质的硅的系统和方法，所述电池可以包括阴极、电解质和包含活性材料的阳极，其中所述阳极活性材料包括硅，并且其中所述硅的杂质水平可以大于400ppm。所述硅的杂质水平大于600ppm。所述杂质水平可以是针对原子序数为2至42的元素。所述硅可以具有99.90％或更低的纯度。当压制成厚度为4mm且直径为15mm的粒料时，所述硅的电阻可以是25kΩ或更小。所述活性材料可以包括在金属集流器上的硅、碳和热解的聚合物。所述金属集流器可以包括与所述活性材料电接触的铜箔或镍箔。所述活性材料可以包括大于50％的硅。50％的硅。50％的硅。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在硅占主导的阳极电池中使用具有杂质的硅
[0001]相关申请的交叉引用/援引并入
[0002]本申请要求于2019年11月7日提交的第16/676,686号美国专利申请的优先权。


[0003]本公开内容的方面涉及能量产生和存储。更具体地，本公开内容的某些实施方案涉及用于在硅占主导的阳极电池中使用具有杂质的硅的方法和系统。

技术介绍

[0004]用于电池电极的常规方法可能是昂贵的、笨重的和/或低效的，例如，它们可能实施起来复杂和/或耗时，并且可能限制电池使用寿命。
[0005]通过将这种系统与如本申请的其余部分中参考附图所阐述的本公开内容的一些方面进行比较，常规和传统方法的其它限制和缺点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

技术实现思路

[0006]用于在硅占主导的阳极电池中使用具有杂质的硅的系统和/或方法，大体上如至少一个图所示和/或如关于至少一个图所述，如权利要求中更完整地阐述。
[0007]根据以下描述和附图，将更全面地理解本公开内容的这些和其它优点、方面和新特征，以及其所示实施方案的细节。
附图说明
[0008]图1是根据本公开内容的示例性实施方案的具有硅占主导的阳极的电池的图。
[0009]图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的锂化期间的阳极。
[0010]图3示出了根据本公开内容的示例性实施方案的用于硅占主导的阳极中的活性材料的硅颗粒以及各种源的颗粒尺寸分布。
[0011]图4是根据本公开内容的示例性实施方案的用于制造电池的方法的流程图。
[0012]图5是根据本公开内容的示例性实施方案的用于制造电池的替代方法的流程图。
[0013]图6例示出根据本公开内容的示例性实施方案的在硅占主导的阳极中具有各种硅源的电池的电池容量保持率。
具体实施方式
[0014]图1是根据本公开内容的示例性实施方案的具有硅占主导的阳极的电池的图。参考图1，示出了电池100，所述电池100包括夹置在阳极101与阴极105之间的隔板103，以及集流器107A和107B。还示出了联接至电池100的负载109，例示出当电池100处于放电模式时的情况。在本公开内容中，术语“电池”可以用于指示单个电化学电池，形成为模块的多个电化学电池和/或形成为组件的多个模块。
[0015]便携式电子装置的发展和运输的电气化驱动了对高性能电化学能量存储的需求。相对于其它可充电电池化学品，小规模(<100Wh)至大规模(>10KWh)装置由于锂离子(Li离子)电池的高性能而主要使用锂离子电池。
[0016]阳极101和阴极105，连同集流器107A和107B，可以包括电极，所述电极可以包括在电解质材料内或容纳电解质材料的板或膜，其中板可以提供用于容纳电解质的物理屏障以及与外部结构的导电接触。在其它实施方案中，阳极/阴极板浸没在电解质中，同时外壳提供电解质容纳。阳极101和阴极电联接至集流器107A和107B，集流器107A和107B包含金属或其它导电材料用于提供与电极的电接触以及在形成电极时对活性材料的物理支撑。
[0017]图1中所示的配置例示出处于放电模式的电池100，而在充电配置中，可以用充电器代替负载107以逆转该过程。在一类电池中，隔板103通常是由例如电绝缘聚合物制成的膜材料，这防止电子从阳极101流到阴极105，或者反之亦然，同时是足够多孔的以允许离子穿过隔板103。通常，隔板103、阴极105和阳极101材料分别形成为片、膜或活性材料涂覆的箔。将阴极、隔板和阳极的片依次堆叠或轧制，使隔板103将阴极105与阳极101分隔，以形成电池100。在一些实施方案中，隔板103是片并且通常在其制造中采用卷绕方法和堆叠。在这些方法中，阳极、阴极和集流器(例如，电极)可以包括膜。
[0018]在示例性情形中，电池100可以包含固体、液体或凝胶电解质。隔板103优选不溶于典型的电池电解质，例如可以包含以下的组合物：碳酸亚乙酯(EC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)等以及溶解的LiBF4、LiAsF6、LiPF6和LiClO4等。隔板103可以用液体或凝胶电解质润湿或浸泡。此外，在示例性实施方案中，隔板103在低于约100℃至120℃不熔化，并且表现出足够的机械性质用于电池应用。在操作中，电池可以经历阳极和/或阴极的膨胀和收缩。在示例性实施方案中，隔板103可以膨胀和收缩至少约5％至10％而不失效，并且还可以是柔性的。
[0019]隔板103可以是足够多孔的，使得一旦用例如液体或凝胶电解质润湿，离子就可以穿过隔板。替代地(或额外地)，即便没有显著的孔隙度，隔板也可以通过胶凝或其它方法吸收电解质。隔板103的孔隙度通常也不会太多孔以致允许阳极101和阴极105通过隔板103传递电子。
[0020]阳极101和阴极105包括用于电池100的电极，提供与用于在充电和放电状态下传递电荷的装置的电连接。例如，阳极101可以包含硅、碳或这些材料的组合。典型的阳极电极包含碳材料，其包括诸如铜片的集流器。碳是常用的，因为碳具有优异的电化学性质并且还是导电的。目前在可充电锂离子电池中使用的阳极通常具有约200毫安小时/克的比容量。用于大多数锂离子电池阳极的活性材料石墨具有372毫安小时每克(mAh/g)的理论能量密度。相比之下，硅具有4200mAh/g的高的理论容量。为了增加锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度，硅可以用作阴极或阳极的活性材料。硅阳极可以由例如具有超过50％的硅的硅复合物形成。
[0021]在示例性情况下，阳极101和阴极105存储用于分离电荷的离子，例如锂。在该实例中，电解质在放电模式下将带正电的锂离子从阳极101携带到阴极105，例如如图1中所示，并且反之亦然，在充电模式下穿过隔板105。锂离子的运动在阳极101中产生自由电子，这在正集流器107B处产生电荷。然后电流从所述集流器通过负载109流到负集流器107A。隔板103阻挡蓄电池100内的电子流，允许锂离子流，并且防止电极之间的直接接触。
[0022]当电池100放电并且提供电流时，阳极101释放锂离子经由隔板103到达阴极105，从而产生从一侧经由联接的负载109到另一侧的电子流动。当对电池充电时，发生相反的情况，其中锂离子被阴极105释放并且由阳极101接收。
[0023]为阳极101和阴极105选择的材料对于电池100可能的可靠性和能量密度是重要的。当前锂离子电池的能量、功率、成本和安全性需要改善，以便例如与内燃机(ICE)技术竞争并且允许电动车辆(EV)的广泛采用。随着高容量且高电压阴极、高容量阳极以及具有高电压稳定性和与电极的界面兼容性的功能性不可燃电解质的开发，实现了高能量密度、高功率密度和改善的安全性的锂离子电池。此外，将具有低毒性的材料作为电池材料对降低工艺成本和促进消费者安全性是有利的。
[0024]电化学电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电池，所述电池包括：阴极、电解质和包含活性材料的阳极，所述阳极活性材料包括硅，其中所述硅的杂质水平大于400ppm。2.如权利要求1所述的电池，其中所述硅的杂质水平大于600ppm。3.如权利要求2所述的电池，其中所述杂质水平针对原子序数为2至42的元素。4.如权利要求1所述的电池，其中所述硅具有99.90％或更低的纯度。5.如权利要求1所述的电池，其中当压制成厚度为4mm且直径为15mm的粒料时，所述硅的电阻是25kΩ或更小。6.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料包括在金属集流器上的硅和热解的聚合物。7.如权利要求6所述的电池，其中所述阳极活性材料包括导电碳。8.如权利要求1所述的电池，其中所述金属集流器包括与所述活性材料电接触的铜箔或镍箔。9.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料包含大于20％的硅。10.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料包含大于50％的硅。11.如权利要求1所述的电池，其中所述电解质包括液体、固体或凝胶。12.如权利要求1所述的电池，其中所述电池包括锂离子电池。13.形成电池的方法，所述方法包括：制造电池，所述电池包括阴极、电解质和包含活性材料的阳极，所述阳极活...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩，
申请(专利权)人：新强能电池公司，
类型：发明
国别省市：