描述了一种锂－离子电池（２０），所述锂－离子电池具有包括纳米线（１０）的阵列的阳极，所述纳米线（１０）电化学涂覆有聚合物电解质（１４）且被阴极基质（１６）包围，从而形成互穿电极，其中显著缩短了Ｌｉ＋离子的扩散长度，这导致更快的充电／放电、更强的可逆性和更长的电池寿命。所述电池的设计适用于多种电池材料。还描述了用于在室温下从水溶液直接电沉积Ｃｕ２Ｓｂ的方法，所述方法使用柠檬酸作为络合剂来形成阳极的纳米线的阵列。还描述了固态电解质的通过电还原聚合到膜和高长径比的纳米线阵列上形成的聚－［Ｚｎ（４－乙烯基－４’－甲基－２，２’－联吡啶）３］（ＰＦ６）２的保形涂层，正如多种乙烯基单体的还原电聚合，例如包含丙烯酸酯官能团的那些乙烯基单体。这种材料显示了有限的导电性，但显著的锂离子传导性。阴极材料可包括氧化物，举例来说，诸如锂钴氧化物、锂镁氧化物或锂锡氧化物，或磷酸盐，举例来说，诸如ＬｉＦｅＰＯ４。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及电池，并且更具体地涉及锂_离子电池。
技术介绍
锂是最轻和正电性最强的元素，这使得其非常适合于需要高能密度的应用。就 此点而言，锂-离子(Li+)电池已经成功地使用在各种便携式电子设备和其它电子设备 中。然而，Li+缓慢地扩散入阳极和阴极中和在两个电极之间缓慢地扩散仍是对这些电池 的充放电速率的两个主要限制。由于纳米结构材料高的表面积对体积的比，因而已证实它们对Li+电池是有用 的，已经显示出导致锂化反应的可逆性更强和放电速率更大的性质。此外，因为减小了 电极材料的颗粒大小，所以已显示出制造碳基阳极和多种常用阴极材料两者的纳米线阵 列增强了电极性能，同时维持粒与粒的电接触，缩短了 Li+离子必须扩散的距离。具体而言，电池的充电速率/放电速率与Li+进入每一个电极的扩散速率和在阴 极与阳极之间的扩散速率有关。虽然已显示出纳米线比块状材料循环得更快，但是缩短 阳极电池结构与阴极电池结构之间的距离并不简单，并且虽然纳米结构的阴极/阳极先 前已使用在Li+电池中，但是这样的使用主要是为了增大阴极或阳极或两者的表面积对体 积的比，且因此，当锂-离子需要在肉眼可见的分离的电极之间行进长距离时，Li+的扩 散距离仍然非常大。专利技术概述因此，本专利技术的目的是提供一种有效用于增加Li+在电池阳极和阴极之间的扩散速率的锂-离子电池。本专利技术的另一个目的是提供一种有效用于增加Li+扩散入电池阳极和阴极的速率 的锂-离子电池。本专利技术的另外的目的、优势和新颖的特征将在下面的说明书中部分陈述，而部 分对于本领域技术人员来说，通过对以下内容的考察或通过本专利技术的实践的学习将是明 显的。使用在所附权利要求中特别地指出的工具和组合可意识到和获得本专利技术的目的和 优势。为达到上述目的和其它目的，并且根据本专利技术的效果，如本文所体现的和广泛 描述的，其中锂_离子包括以下组合阳极，所述阳极包括有效用于可逆地嵌入锂-离子 的具有金属间组分的电沉积的结构，所述结构与第一电极电相通；传导锂-离子的固态 电解质，其沉积到所述阳极的所述结构上；和阴极材料，其互穿(interpenetrating)所述阳 极的结构之间的空间，所述阴极材料与第二电极电相通。在本专利技术的另一个方面中，且根据其目的和效果，制造锂-离子电池的方法包 括以下步骤形成阳极的步骤，所述阳极包括有效用于可逆地嵌入锂-离子的具有金属 间组分的电沉积的结构，所述结构与第一电极电相通；使传导锂-离子的固态电解质沉 积到所述阳极的所述结构上；以及使阴极材料互穿所述阳极的所述结构之间的空间，所 述阴极材料与第二电极电相通。在本专利技术的又一个方面中，并且根据其目的和效果，一种电极包括具有金属间 组分的电沉积的结构。本专利技术的利益和优势包括但不限于提供一种具有纳米级尺寸的电池，其中，电 极是互穿的，从而比其它类型的锂_离子电池显著地缩短了电池的充电/放电过程中，Li+ 离子需要来回移动的距离。附图简述附图结合到说明书中且形成说明书的一部分，附图说明了本专利技术的实施方案， 并且附图连同描述一起用来解释本专利技术的原理。在图中图1A-1C说明了用于组装本专利技术的电池的方法，其中，产生阳极的步骤包括与 导电的衬底电接触的导电结构的阵列，此步骤在图IA中显示；图IB显示了将电解质材 料的保形涂层置于图IA中显示的导电结构上的步骤；以及使阴极材料互穿阳极结构之间 的步骤，阴极材料与图IC中显示的第二导电衬底电连接。图2说明了有效用于脉冲电沉积Cu2Sb线的样品方波，其中，沉积电势(Ef)与 电沉积Cu2Sb膜中使用的电势是相同的电势(-1.05V对SSCE)。专利技术详述简单地说，本专利技术包括一种锂-离子(Li+)电池和一种用于制造这种电池的方 法，所述锂-离子(Li+)电池具有包括了电化学涂覆有聚合物电解质且被阴极基质包围并 与阴极基质电相通的纳米线阵列的阳极，由此形成了互穿的电极。本专利技术的电池结构通 过缩短Li+在阴极和阳极之间的扩散距离而增大了 Li+在这两个电极之间的扩散速率。可 构造具有长的寿命且能够快速放电的小而轻的电池。根据本专利技术的实施方案，高长径比的纳米结构(举例来说，诸如纳米线、纳米 带、纳米管和纳米锥)的阵列具有使一个尺寸可以比较小的尺寸(例如，线的直径)大10至1000倍的尺寸(例如长度)，该较小的尺寸可具有纳米级的尺寸，高长径比的纳米结构 的阵列可以形成在传导性的、通常是平面的衬底上。也可形成具有小于10的长径比的纳 米棒。在下文中，术语“纳米线”将作为“纳米结构”的示例使用。金属锂在普遍使用的石墨阳极上的枝状生长可导致电池短路，且可能引发安全 问题。因此，需要新的阳极材料和形态，其中与石墨相比，这些安全问题以及容量和充/ 放电速率都能够得到改进。金属间化合物提供了改进的容量、与锂的高度可逆的反应以 及可能不如金属锂的沉积电势负的锂嵌入电势的可能性，锂嵌入电势可能不如金属锂的 沉积电势负的性质对于消除元素锂在电极上的枝状生长是有用的。使用金属间化合物作 为阳极材料的缺点是循环期间容量的不可逆损失，这是由于大的体积变化而导致电极在 循环期间粉碎，并且因此，导致阳极和电池的余下部分之间的电接触的损失。Cu2Sb是在 充电和放电期间不会出现大的体积变化的金属间组分。Cu2Sb的另一个益处是其工作电势 防止锂金属电镀。Cu2Sb纳米线的使用具有另外的益处具有纳米级尺寸的电极通常能 够避免因大的体积变化而粉碎，即使与具有微米级尺寸的电极相比。正如下文将要描述的，通过在温和的条件下精确地控制组成和厚度可以将Cu2Sb 直接沉积在传导衬底上，以及直接沉积在复杂的形状上和深的凹陷内且具有优良的电接 触，而不需要焊后退火。从水溶液中共沉积Cu和Sb面临两个挑战在水溶液中，Cu和 Sb的还原电势相差约130mV，且Cu的沉积优选地在负值较小的电势下进行；并且虽然 锑盐在酸性溶液中是可溶的，但它们在中性水溶液中会沉淀形成Sb203。由于H2是从H2O 的还原形成的，所以在不如还原Sb3+所需的电势负的电势下，不可能在酸性溶液中进行 Sb的电沉积。柠檬酸(C6H8O7)可用来将溶液中的Sb3+保持在酸性更弱的溶液中和/或 使其还原电势偏移到负值较小的电势。由于柠檬酸的三个羧酸基团和一个烃基基团，所 以其已被分别用作铜和锑的沉积溶液中的络合剂。由溶液中的柠檬酸盐物质得到的Sb3+ 的络合允许pH升高而不形成Sb2O3，并且导致溶液的电化学窗口变宽并朝着更负的电势 偏移。使用柠檬酸作为络合剂，已经实现了从包括所需化学计算量的铜对锑(就Cu2Sb 而言)的水溶液直接电沉积金属间组分Cu2Sb,从而增大了锑盐的溶解度并使铜和锑的还 原电势彼此相向偏移，并且能够在室温下和在pH = 6时直接沉积金属间化合物。在铜衬 底上进行电沉积得到了均勻的、化学计量的和结晶的Cu2Sb膜。本方法的一个实施方案使用阳极氧化铝(AAO)技术在氧化铝衬底中形成通道阵 列。在单一的电化学电势下，使Cu2Sb沉积到纳米通道内。金属间化合物Cu2Sb显示了 用作Li+电池中的阳极的优良性能(a)增大的电荷储存容量；(b)增加的充电速率和放 电速率；和(c)降低的锂金属电镀到阳极上的危险。其它金属间化合物也显示出这些性 能并且可以同样出色地用本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子电池，所述锂－离子电池包括以下组合： 阳极，其包括有效用于可逆地嵌入锂－离子的具有金属间组分的电沉积的结构，所述结构与第一电极电相通； 传导锂离子的固态电解质，其沉积到所述阳极的所述结构上；和 阴极材料，其互穿所述阳极的所述结构之间的空间，所述阴极材料与第二电极电相通。
【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：艾米L普列托，詹姆斯M莫斯比，蒂莫西S亚瑟，
申请(专利权)人：科罗拉多州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US
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