用于可充电电池的含纳米结构的电极制造技术

本发明专利技术提供了锂离子蓄电池电极，其包括用于锂离子插入的并含有导电性增强体的含硅纳米线，该纳米线生长固着于导电基材。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2009年5月7日提交的题为ELECTRODE INCLUDING NANOSTRUCTURES FOR RECHARGEABLE CELLS的美国专利申请No.12/437529的优先权，出于所有目的以引用的方式将其整体并入本文中。
本专利技术整体涉及电化学电池部件和制备该部件的方法，更特别地，涉及含有构造为与电化学活性离子相互作用的纳米线的蓄电池电极和制备该电极的方法以及包括该电极的蓄电池。
技术介绍
对高容量可充电蓄电池的需求是大量的。许多应用，例如航天、医学器件、便携式电子设备、汽车等，要求高的重量和/或体积容量的蓄电池。在该领域中，锂离子技术的发展提供了一些进步，但是仍非常需求更高的容量。通常，锂离子电池使用含有石墨粉末的并具有仅约372mAh/g的理论容量的阳极。硅是对于锂和其他电化学活性离子具有吸引力的插入材料。在锂离子电池中的硅的理论容量估计为约4200mAh/g。但是硅和许多其他高容量材料对于蓄电池应用的使用受到在活性离子的插入期间这些材料的体积的显著变化(膨胀)的约束。例如，在锂化期间硅膨胀多达400％。这种程度的体积变化引起在负电极中的硅结构中的显著压力，导致结构的粉化(pulverization)，在电极中的电连接的失去，以及蓄电池容量的衰减。此外，许多高容量材料例如硅具有差的导电性，并且经常要求特定设计的特征或可负面影响蓄电池容量的导电添加剂。总体来说，在蓄电池电极中需要改善应用的高容量活性材料，其能最小化上述缺点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种在蓄电池电极中的新的高容量材料，例如特定的硅结构。例如，固着于基材的硅纳米线表现出蓄电池性能方面的显著提高，包括在超过180次循环保持1000mAh/g的放电容量的能力。将活性材料成型为纳米线为由于广泛膨胀、差的导电性，以及其他特征而具有有限用途的许多新的高容量活性材料开启了大门。可将纳米线成型并确定尺寸，使得在膨胀期间将内部压力保持低于其破裂极限，同时由于纳米线的长度和固着于基材的附接而保持高的导电性。纳米线的导电性可通过将其他材料以不同形式例如掺杂、合金化、导电材料的核-壳结构和其他方法并入到纳米结构中而进一步提高。此外，可将不同类型的基材和基材的处理用于使纳米线的膨胀与其提高的电连接彼此之间相适应并和基材相适应。在特定的实施方案中，锂离子蓄电池电极包括导电基材和生长固着于导电基材的含硅纳米线。纳米线包括用于降低纳米线的电阻的导电性增强组分。将纳米线构造为在蓄电池循环期间插入和移出锂离子。在20次循环后，保持至少约1500mAh/g的容量。在该实施方案或其他实施方案中，在100次循环后，含硅纳米线的容量为至少约600mAh/g。在特定实施方案中，纳米线包括核和壳。核的材料不同于壳的材料。核包括导电性增强组分，例如含碳材料、硅化物或碳化物。在一些实施方案中，纳米线包括核和两个或更多个壳。核材料不同于最内壳的材料。此外，任何两个相邻壳的材料不同。纳米线可掺杂有一种或多种掺杂剂。掺杂剂用作导电性增强组分。在特定的实施方案中，掺杂剂包括周期表的一种或多种III族和V族元素。在纳米线中，掺杂剂可具有变化的浓度。例如，浓度在纳米线的外部表面附近可比中心附近高。纳米线通常为狭长结构。在特定的实施方案中，在完全放电状态中，纳米线具有至少约100的平均长径比。在完全放电状态中，纳米线的平均横截面尺寸可为约1纳米-300纳米。在特定的实施方案中，纳米线的平均横截面尺寸使得在最大充电水平时不会达到由膨胀引起的破裂极限。在完全放电状态中，纳米线可具有至少约100微米的平均长度。纳米线可形成为锂离子蓄电池电极的一部分的层。这样的层可具有小于约75％的孔隙率。在相同实施方案或其他实施方案中，该层具有的平均厚度大于纳米线的至少平均长度。在特定实施方案中，纳米线包括材料例如锗、锡、氧化锡或氧化钛。导电基材可包括不锈钢、铜或钛。可将包含纳米线的电极用于锂离子蓄电池中。在特定的实施方案中，蓄电池包括带有导电基材和包括生长固着于导电基材的含硅纳米线的负电极、正电极、和位于负电极和正电极之间的锂离子传送介质。可将负电极构造为在蓄电池循环期间插入和移出锂离子，同时在20次循环之后保持至少约1500mAh/g的容量。纳米线可包括用于降低纳米线电阻的导电性增强组分。还提供了一种生产用于锂离子蓄电池电极的方法。在特定的实施方案中，该方法包括提供导电基材并形成包括生长固着于导电基材的含硅纳米线。将纳米线构造为在蓄电池循环期间插入和移出锂离子，同时在至少100次循环之后保持至少约600mAh/g的容量。可首先形成不带有导电性增强组分的纳米线，然后进行处理以将导电性增强组分引入纳米线中。在特定的实施方案中，导电性增强组分包括硼、铝或镓。导电基材可为铜、不锈钢或钛。附图说明图1A-E说明了根据不同实施方案的固着和非固着于基材的纳米结构的实施例。图2A-B说明了在初始循环期间，在放电和充电状态中，包括与基材接触的纳米结构的阳极实施例。图2C说明了显示纳米结构的横截面外形的电极实施例的俯视图。图2D说明了显示不同侧面外形和尺寸的纳米结构实施例的侧视图。图3A说明了带有具有线状形状的生长固着的纳米结构的活性层的实施例。图3B说明了带有具有线状形状的部分生长固着的纳米结构的活性层的实施例。图4A-C说明了纳米结构互连的不同实施例。图5A-B说明了根据特定实施方案的纳米结构的核-壳实施例。图6为不同的说明性的掺杂剂浓度分布的实施例图。图7说明了在纳米结构中从晶态到非晶态结构的转变。图8说明了在基材上沉积生长固着的纳米结构的方法的实施例。图9说明了在沉积工艺的不同阶段期间纳米结构的实施例。图10说明了用于沉积纳米结构的CVD装置的实施例。图11说明了带有包含纳米结构的一个或多个电极的卷绕电池的实施例。具体实施方式在下面的描述中，说明了多个特定细节以便提供对本专利技术的整体理解。可将本专利技术实施为不具有一些或所有的这些特定的细节。在其他情况中，没有详细描述已知的工艺操作以避免使本专利技术不清楚。尽管结合特定的实施方案对本专利技术进行了描述，但应理解其不意在将本专利技术限制于这些实施方案。介绍在可充电电化学电池中，带电离子(即，电化学活性离子或简称为活性离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.05.07 US 12/437,5291.一种锂离子蓄电池电极，包含：
导电基材；和
固着于基材的含硅纳米线，其固着于导电基材并且构造为在蓄电
池循环期间插入和移出锂离子，在至少20次循环后保持至少约
1500mAh/g的容量，纳米线包括用于减小纳米线的电阻的导电性增强
组分。
2.根据权利要求1所述的电极，其中固着于基材的纳米线为生长
固着的。
3.根据权利要求1所述的电极，其中纳米线包括核和壳，并且其
中核的材料不同于壳的材料。
4.根据权利要求3所述的电极，其中核为选自含碳材料、硅化物
和碳化物的导电性增强组分。
5.根据权利要求1所述的电极，其中固着于基材的纳米线为附接
固着的。
6.根据权利要求1所述的电极，其中在至少100次循环之后，含
硅纳米线的容量为至少约600mAh/g。
7.根据权利要求1所述的电极，其中纳米线包括核和两个或更多
个壳，核的材料不同于最内壳的材料，并且任何两个相邻壳的材料不
同。
8.根据权利要求1所述的电极，其中纳米线掺杂有一种或多种掺
杂剂，其用作导电性增强组分。
9.根据权利要求8所述的电极，其中所述一种或多种掺杂剂中的
至少一种选自周期表的III和V族元素。
10.根据权利要求8所述的电极，其中平均而言，一种或多种掺
杂剂的浓度在纳米线的外表面附近比纳米线的中心附近高。
11.根据权利要求1所述的电极，其中纳米线在完全放电状态中
具有至少约10的长径比。
12.根据权利要求1所述的电极，其中纳米线在完全放电状态中
具有约1纳米-300纳米的平均横截面尺寸。
13.根据权利要求1所述的电极，其中纳米线...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔屹，韩松，M·C·普拉特肖恩，
申请(专利权)人：安普雷斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：