微观复合合金结构制造技术

本文公开耐应变颗粒、制造这种结构的方法和形成所述结构的原料的实施方案。在一些实施方案中，所述结构可包括能量储存结构和增强结构的交替区域。有利地，当在锂离子电池的阳极内使用所述耐应变颗粒时，所述增强结构可为所述颗粒提供机械稳定性，从而增加循环寿命。从而增加循环寿命。从而增加循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微观复合合金结构
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请在35U.S.C.
§
119(e)下要求于2020年6月25日递交的美国临时申请第63/043,958号的的优先权权益，其全部公开通过引用结合至本文中。


[0003]本公开在一些实施方案中总体上涉及粉末、结构、前体以及制造所述粉末和结构以形成耐应变材料的方法。

技术介绍

[0004]合金型阳极材料(其包括Si、Si合金、SiO和Sn合金)已经成为超过20年来深入研究的领域。这类材料的优点为与基于碳(主要为石墨)的常规阳极材料相比较，锂(Li)储存容量(或简单地容量)大大增加，与典型的商业石墨阳极相比较，在Si的情况下增加多达10倍。然而，它们作为石墨的完全替代的采用已经受到非常差的循环寿命的阻碍。硅(Si)在完全锂化时经受300％的体积增加，并且在随后的脱锂时经受300％的减少。这种巨大的体积循环导致Si颗粒的机械损伤，这导致材料断开、与电解质反应并在钝化时消耗锂的新鲜表面，以及因此在最差情况下在少至几个循环中的容量损失和阻抗增长。结果，合金阳极在商业上限于非常精细的合金颗粒与石墨的共混物，通常<总活性材料的10％。

技术实现思路

[0005]本文公开耐应变颗粒的实施方案，耐应变颗粒包含复合结构，复合结构包括：能量储存结构(或相)，能量储存结构(或相)包含至少一种元素，其中能量储存结构配置为存储离子；以及增强结构(或相)，增强结构(或相)包含与能量储存相相分离的一种或多种元素。这种相分离可以经由共晶或共析反应，其中增强结构为能量储存结构提供机械支撑。
[0006]在一些实施方案中，能量储存结构包含硅和/或锡。在一些实施方案中，增强结构包含镍、铜、铁、铝、镁、锰、钴、钼、锆、钒、钛、铬、铋、锑、锗、硼、磷、碳、硫、氮和/或氧。在一些实施方案中，能量储存结构包含硅和增强结构包含包括镍和硅的金属间化合物。在一些实施方案中，金属间化合物包含NiSi2和NiSi。在一些实施方案中，增强结构包含比能量储存结构的镍含量更高的镍含量。
[0007]在一些实施方案中，复合结构包含大于或等于约0.56的硅摩尔分数。在一些实施方案中，复合结构包含大于或等于约0.7的硅摩尔分数。
[0008]在一些实施方案中，能量储存结构包含硅和增强结构包含包括铜和硅的金属间化合物。在一些实施方案中，金属间化合物包含Cu
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Si6。在一些实施方案中，增强结构包含比能量储存结构的铜含量更高的铜含量。
[0009]在一些实施方案中，复合结构包含多个能量储存结构和结合多个能量储存结构的多个增强结构。
[0010]在一些实施方案中，复合结构包含大于或等于约0.24的硅摩尔分数。在一些实施
例中，复合结构包含大于或等于约0.32的硅摩尔分数。
[0011]本文还公开一种制造耐应变颗粒的方法的实施方案，方法包括制备原料，原料包含通过共晶或共析反应相分离成两个或更多个相的具有一定比率组成元素的细分液滴或颗粒，将原料引入到微波等离子体炬的等离子体或等离子体排气中以熔融原料，以及以快速但受控的方式冷却原料，以便触发共晶或共析转变，导致一个或多个相分离，其创建包含能量储存结构和为能量储存结构提供机械支撑的增强结构的复合结构。
[0012]在一些实施方案中，原料包含硅和铜、镍或铁中的至少一种。在一些实施方案中，原料包含铜和包含大于或等于约0.24的硅摩尔分数。在一些实施方案中，原料包含铜和包含大于或等于约0.32的硅摩尔分数。在一些实施方案中，原料包含镍和包含大于或等于约0.56的硅摩尔分数。在一些实施方案中，原料包含镍和包含大于或等于约0.7的硅摩尔分数。
[0013]本文还公开一种锂离子电池的阳极的实施方案，该阳极包含多个耐应变颗粒，该颗粒包含原位形成的复合结构，该复合结构包含多个能量储存结构和增强结构，其中能量储存相基本上包含硅，和其中增强结构包含通过共晶或共析反应相分离成具有硅的两个或更多个相的一种或多种元素。
[0014]在一些实施方案中，元素包含镍、铜或铁中的至少一种。
[0015]本文还公开耐应变颗粒的实施方案，颗粒包含复合结构，复合结构包括包含至少一种元素的能量储存相，其中能量储存相配置为存储离子，以及包含一种或多种元素的增强相，其中在从熔体冷却时发生共晶或共析转变，导致相分离成两个或更多个不同相，其至少1个为能量储存相和其至少一个为增强相，导致在颗粒水平上原位生长的复合微观结构，其中一个或多个增强相为一个或多个能量储存相提供机械支撑。
[0016]进一步的实施方案涉及如本文公开的颗粒。
[0017]进一步的实施方案涉及如本文公开的粉末。
[0018]进一步的实施方案涉及如本文公开的制造颗粒的方法。
附图说明
[0019]图1A为根据本公开示例性耐应变颗粒的扫描电子显微术(SEM)图像。
[0020]图1B为显示图1A颗粒的高浓度硅(Si)区域的能量色散X射线光谱(EDS)元素组成图。
[0021]图1C为显示图1A颗粒的高浓度镍(Ni)区域的EDS元素组成图。
[0022]图2A为由硅和镍的共晶或共析成分组成的示例性耐应变颗粒的图像。
[0023]图2B为由硅和镍的共晶或共析成分组成的示例性耐应变颗粒的图像。
[0024]图3为由硅和铜的过共晶成分组成的示例性耐应变颗粒的图像。
[0025]图4为使用根据本公开耐应变颗粒的锂离子电池的实例阳极的容量相对于电压的图表。
[0026]图5说明产生根据本公开粉末的方法的实例实施方案。
[0027]图6说明根据本公开的实施方案，可用于产生粉末的微波等离子体炬的实施方案。
[0028]图7A
‑
7B说明根据本公开的侧进料斗实施方案，可用于产生粉末的微波等离子体炬的实施方案。
具体实施方式
[0029]本文公开用于形成耐应变材料的方法、粉末/颗粒、结构、原料和前体以及结合所述材料的装置的实施方案。材料可为用于耐应变合金型阳极的特定颗粒水平复合结构的粉末。耐应变合金型阳极可包括耐应变颗粒，其可包括能够承受从能量储存产生的应变并因此防止颗粒破裂的结构。
[0030]在一些实施方案中，颗粒水平复合结构可包括能量储存结构(例如相、化学、配方、构造、框架)和增强结构(例如相、化学、配方、构造、框架)两者。在一些实施方案中，颗粒可包括能量储存结构和增强结构的交替区域。增强相可具有一些能量储存容量。
[0031]复合结构的特征尺寸可为约微米级到纳米级。如本文公开的，可通过以微波等离子体炬或其他处理方法处理某些原料材料来形成粉末。处理可包括将原料进料到微波等离子体炬、微波等离子体炬的等离子体羽流和/或微波等离子体炬的排气中。位置可根据使用的原料类型而变化。进一步地，可基于不同要求产生或选择原料。要求的实例为纵横比、粒度分布(PSD)、化学、密度、直径、球形度、氧合作用和孔径。处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种耐应变颗粒，其包含：复合结构，其包括：能量储存结构，其包含至少一种元素，其中所述能量储存结构配置为储存离子；和增强结构，其包含经由共晶或共析反应与能量储存相相分离的一种或多种元素，其中所述增强结构为所述能量储存结构提供机械支撑。2.权利要求1的耐应变颗粒，其中所述能量储存结构包含硅和/或锡。3.权利要求1的耐应变颗粒，其中所述增强结构包含镍、铜、铁、铝、镁、锰、钴、钼、锆、钒、钛、铬、铋、锑、锗、硼、磷、碳、硫、氮和/或氧。4.权利要求1的耐应变颗粒，其中所述能量储存结构包含硅和所述增强结构包含包括镍和硅的金属间化合物。5.权利要求4的耐应变颗粒，其中所述金属间化合物包含NiSi2和NiSi。6.权利要求4的耐应变颗粒，其中所述增强结构包含比所述能量储存结构的镍含量更高的镍含量。7.权利要求4的耐应变颗粒，其中所述复合结构包含大于或等于约0.56的硅摩尔分数。8.权利要求4的耐应变颗粒，其中所述复合结构包含大于或等于约0.7的硅摩尔分数。9.权利要求1的耐应变颗粒，其中所述能量储存结构包含硅和所述增强结构包含包括铜和硅的金属间化合物。10.权利要求9的耐应变颗粒，其中所述金属间化合物包含Cu
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Si6。11.权利要求9的耐应变颗粒，其中所述增强结构包含比所述能量储存结构的铜含量更高的铜含量。12.权利要求1的耐应变颗粒，其中所述复合结构包含多个能量储存结构和结合所述多个能量储存结构的多个增强结构。13.权利要求9的耐应变颗粒，其中所述复合结构包含大于或等于约0.24的硅摩尔分数。14.权利要求9的耐应变颗粒，其中所述复合结构包含大于或等于约0.32的硅摩尔分数。15.一种制造耐应变颗粒的方法，其包括：制备原料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：六K有限公司，
类型：发明
国别省市：