制造制造技术

一种含有包括硅的纤维的充电前的材料，其特征在于，两个或更多的所述纤维被接合到一起，以产生具有或不具有集电体的接合的毡阳极结构和具有集电体的复合阳极结构以及电极结构。所述结构克服了与充电／放电容量损失相关的问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】方法
本专利技术涉及一种制造由硅或基于硅的材料构成的接合的纤维的方法以及在可再 充电锂电池组(battery)电池中这些纤维作为活性阳极材料的应用。
技术介绍
最近对于诸如移动电话和笔记本电脑的便携式电子装置的使用的增加和在混合 电动车辆中使用可再充电电池组的新兴趋势，已经产生了对用于向上述装置和其他电池组 供电装置提供电力的更小、更轻、更长寿命的可再充电电池组的需求。在20世纪90年代期 间，锂可再充电电池组(特别地，锂离子电池组)变得流行，就售出数量而言，现在其统治着 便携式电子设备市场并被用来应用于新的、对成本敏感的应用。然而，由于越来越多的耗电 功能(例如，移动电话中的照相机)被加入到上述装置中，因此需要每单位质量和每单位体 积存储更多能量的改进的且成本更低的电池组。 公知可以使用硅作为可再充电锂离子电化学电池(cell)的活性阳极材料(参见， 例如，Insertion Electrode Materials for Rechargeable LithiumBatteries，M. Winter, J. 0. Besenhard， M. E. Spahr， and P. Novak in Adv. Mater. 1998， 10， No. 10)。附图说明图1示出了常 规锂离子可再充电电池组电池的基本构成，其包括基于石墨的阳极电极，该部件将被基于 硅的阳极所取代。该电池组电池包括单个电池，还可包括多于一个的电池。 电池组电池通常包括用于阳极的铜集电体(current collector) IO和用于阴极的 铝集电体12，集电体10和12可根据需要而被外部连接到负载或连接到再充电电源。基于 石墨的复合阳极层14覆盖集电体10，并且基于含锂金属氧化物的复合阴极层16覆盖集电 体12。在基于石墨的复合阳极层14与基于含锂金属氧化物的复合阴极层16之间设置多孔 塑性间隔物或分离物20，并且液体电解质材料被分散在多孔塑性间隔物或分离物20、复合 阳极层14以及复合阴极层16内。在一些情况下，可以用聚合物电解质材料取代多孔塑性 间隔物或分离物20，并且在这些情况下，聚合物电解质材料存在于复合阳极层14和复合阴 极层16二者内。 当电池组电池完全充满电时，锂经由电解质而从含锂金属氧化物输运到基于石墨 的层中，在该处，锂与石墨反应生成化合物LiCe。作为复合阳极层中的电化学活性材料，石 墨具有372mAh/g的最大容量。注意，在负载两端设置电池组的意义上使用术语"阳极"和 "阴极"。 通常认为，当将硅用作锂离子可再充电电池中的活性阳极材料时，硅提供的容量 显著高于当前所使用的石墨。当通过在电化学电池中硅与锂反应而转变为化合物Li21Si5 时，硅具有4200mAh/g的最大容量。 在锂离子电化学电池中使用硅或基于硅的活性阳极材料的现有方法不能在经过 了所需数目的充电/放电循环之后维持容量，因此在商业上是不可用的。 —种方法使用粉末形式的硅，在某些实例中其被制造为复合物(可选地具有电子 添加剂)并包含涂敷在铜集电体上的诸如聚偏氟乙烯的适宜的粘结剂。然而，该电极在经4受充电/放电循环时不能维持容量。认为该容量损失归因于硅粉末块(mass)的由与锂插 入/抽离宿主硅相关联的体积膨胀/收縮导致的局部机械隔离。这反过来又引起硅基元 (element)与铜集电体和其自身的电隔离。此外，体积膨胀/收縮使球基元破裂，从而导致 在球基元本身内部的电接触的损失。 为处理在连续循环期间的大的体积变化的问题而设计的本领域中公知的另一方 法为使构成硅粉末的硅基元的尺寸非常小，即，使用具有l-10nm范围的直径的球形颗粒。 该方案假设纳米尺寸的基元可以经受与锂插入/抽离相关联的大的体积膨胀/收縮，而不 会被破裂或损坏。然而，该方法具有的问题在于，其需要处理非常精细的纳米尺寸的粉末 (这造成健康和安全风险)，并且由于硅粉末要经受与锂插入/抽离相关联的体积膨胀/收 縮，因此不能防止球基元与铜集电体及其自身的电隔离。重要的是，纳米尺寸的基元的大表 面积会导致含锂表面膜的产生，这会在锂离子电池组电池中引入大的不可逆容量。此外，对 于给定质量的硅，大量的小尺寸的硅颗粒产生了大量的颗粒到颗粒接触，并且每一接触都 具有接触电阻，由此导致硅块的电阻太高。上述问题由此使硅颗粒不能在商业上取代锂可 再充电电池组以及具体的锂离子电池组中的石墨。 在由Ohara等人在Journal of Power Sources 136 (2004) 303-306中的描述的另 一方法中，将硅蒸发到镍箔集电体上作为薄膜，然后使用该结构形成锂离子电池的阳极。然 而，虽然该方法提供了良好的容量保持，但这仅仅是使用非常薄的膜(例如， 50nm)的情 况，并且由此这些电极结构不能提供可使用的量的每单位面积容量。增加膜厚度(例如， > 250nm)会导致良好容量保持的消除。本专利技术的专利技术人认为这些薄膜的良好的容量保持 归因于薄膜吸收与锂插入/抽离宿主硅相关联的体积膨胀/收縮而不会破裂或损坏膜的能 力。并且，该薄膜具有比相等质量的纳米尺寸的颗粒低得多的表面积，由此减小了由含锂表 面膜的形成而导致的不可逆容量的量。上述问题由此使在金属箔集电体上的硅薄膜不能在 商业上取代锂可再充电电池组以及具体的锂离子电池组中的石墨。 在US2004/0126659中描述的另一方法中，将硅蒸发到镍纤维上，然后使用该镍纤 维形成锂电池组的阳极。然而，发现该方法在镍纤维上提供了不均匀的硅分布，由此显著影 响了操作。此外，这些结构具有镍集电体质量对活性硅质量的高比率，由此不能提供可使用 的量的每单位面积或每单位质量的容量。 在US 6， 887， 511中描述的另一方法中，将硅蒸发到粗糙的铜衬底上以产生最高 为lOym的中等厚度膜。在初始锂离子插入过程期间，硅膜破裂以形成硅柱。然后这些硅 柱可逆地与锂离子反应，由此获得良好的容量保持。然而，该方法在膜较厚时效果不好，并 且中等厚度膜的产生是昂贵的工艺。此外，由膜的破裂所产生的柱状结构不具有固有的多孔性，从而会产生长期容量保持的问题。 Kasavajjula等 人(J.Power So ur c e s (2 0 0 6) ， do i : 1 0 ， 1 0 1 6 / jpowsour. 2006. 09. 84)提供了对用于锂离子二次电池的基于纳米和体硅的插入电极的回 顾，在此通过引用并入其内容。 在英国专利申请GB2395059A中描述的另一方法使用包括在硅衬底上制造的硅柱 的规则或不规则阵列的集成硅电极。这些结构化的硅电极在经受重复的充电/放电循环时 呈现良好的容量保持，本专利技术的专利技术人认为该良好的容量保持归因于硅柱吸收与锂插入/ 抽离宿主硅相关联的体积膨胀/收縮而不会破裂或损坏柱的能力。 在又一方法中，在具有共同受让人且名称为"A method of fabricatingfibres composed of silicon or a silicon—based material and their use inlithi咖 rechargeable batteries"的PCT/GB2007/000211 (在此通过弓|用并入其内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充电前的材料，其包含包括硅的纤维，其特征在于，两个或更多的所述纤维被接合到一起。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M格林，
申请(专利权)人：奈克松有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]