用于蓄电池电极的核-壳高容量纳米线制造技术

提供一种含有电化学活性材料的纳米结构，用于电化学蓄电池例如锂离子蓄电池的含有这些纳米结构的蓄电池电极，以及形成该纳米结构和蓄电池电极的方法。该纳米结构包括导电核、含活性材料的内壳、以及至少部分包覆内壳的外壳。可使用具有至少约1000mAh/g稳定容量的高容量活性材料。一些实施方案包括硅、锡和/或锗。外壳可设计为基本防止固体电解质界面(SEI)层在内壳上直接形成。导电核和/或外壳可包括含碳材料。纳米结构用以形成蓄电池电极，其中纳米结构与电极的导电基材电子流通。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术整体上涉及电化学蓄电池部件和制备这样部件的方法，更具体的，涉及含有用于与电化学活性离子相互反应的核-壳高容量纳米线的蓄电池电极以及制备这样的电极和蓄电池的方法。
技术介绍
存在对高容量可再充电蓄电池的需求。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，锂离子电池包括含有石墨粉末并具有仅约372mAh/g的理论容量的阳极。硅是对于锂和其它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为约4200mAh/g。但是硅和许多其它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和移出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活性材料粉的粉化(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
提供了含有电化学活性材料的纳米结构，含有这些纳米结构的电化学蓄电池(例如锂离子蓄电池)的蓄电池电极，以及形成的纳米结构和蓄电池电极的方法。纳米结构包括导电核，含有活性材料的内壳，以及至少部分包覆内壳的外壳。内壳和外壳分别环绕地包覆核和内壳。可以使用具有至少约1000mAh/g的稳定容量的高容量活性材料。一些例子包括硅，锡和/或锗。外壳可配置成基本防止直接在内壳上形成固体电解质界面(SEI)层。导电核和/或外壳可以包括含碳材料。纳米结构用于形成蓄电池电极，其中纳米结构与电极的导电基材电子流通。在一些实施方案中，用于蓄电池电极的纳米结构包括沿纳米结构的长度提供电子导电性的导电核，包括高容量电化学活性材料的内壳，和至少部分包覆内壳并基本防止固体电解质界面(SEI)层在内壳上直接形成的外壳。至少内壳与导电核电子流通。在某些实施方案中，至少约10%的内壳未包覆有外壳。在某些实施方案中，纳米结构具有分支结构。纳米结构也可以具有位于其内壳和外壳之间的第三壳。在某些实施方案中，活性材料具有至少约1000mAh/g的稳定电化学容量。活性材料可包括硅，锗和錫。活性材料可包括ー种或多种掺杂剂。在相同或其它的实施方案中，活性材料包括非晶态硅，而导电核和/或外壳包括碳。外壳可以包括石墨、石墨烯、石墨氧化物、和/或金属氧化物。在某些实施方案中，导电核包括具有至少约50%的碳含量的含碳材料。在相同或其它的实施方案中，内壳提供纳米结构的全部电化学容量的至少约50%。在某些实施方案中，纳米结构形成为长度至少约1毫米的纳米线。纳米结构可具有不大于约500纳米的直径。在某些实施方案中，纳米结构为纳米颗粒。在相同或其它的实施方案中，纳米结构具有厚度在约1纳米和100纳米之间的外売。在某些实施方案中，导电核是中空的。例如，导电核可包括单壁碳纳米管(SWNT)和/或多壁碳纳米管(MWNT)。在某些实施方案中，纳米结构的空心区域与实心区域的平均比例是约0. 01-10。在某些实施方案中，用于电化学蓄电池的蓄电池电极包括导电基材和纳米结构。 可用于蓄电池电极的纳米结构的多种特征如上所述。例如，纳米结构可具有沿纳米结构的长度提供电子导电性的导电核，包括高容量电化学活性材料并与导电核电子流通的内売， 和至少部分包覆内壳的外売。内壳可配置成基本防止固体电解质界面(SEI)在内売上直接形成。活性材料可具有至少约1000mAh/g的容量。至少导电核和内壳可与导电基材电子流Ifi ο在某些实施方案中，纳米结构的导电核，内壳和/或外壳与导电基材形成直接结合。例如，直接结合可包含硅化物。在某些实施方案中，外壳包括延伸越过导电基材的面向纳米结构的表面的至少一部分并且在纳米结构和导电基材之间形成直接结合的碳层。在一些实施方案中，蓄电池的电极包含弾性粘合剂。在某些实施方案中，形成用于蓄电池电极的纳米结构的方法包括形成沿纳米结构的长度提供电子导电性的导电核，形成包括高容量电化学活性材料的内壳，以及形成至少部分包覆内壳的外売。内壳可与导电核电子流通。活性材料可具有至少约1000mAh/g的稳定的电化学容量。外壳可配置成基本防止固体电解质界面(SEI)在内売上直接形成。在某些实施方案中，通过静电纺丝形成导电核。在某些实施方案中，在放置部分构造的纳米结构后形成外売，该纳米结构包括与导电基材接触的导电核和内売。外壳可建立纳米结构和导电基材之间的结合。在某些实施方案中，该方法可包括将纳米结构结合至导电基材的操作。例如，结合可包括加热纳米结构和导电基材到预定温度，并在纳米结构和导电基材之间施加预定压力。在某些实施方案中， 预定的温度为约300°C和500°C之间。结合可包括在纳米结构上形成硅化物和将含有硅化物的纳米结构压向导电基材以形成硅化物和导电基材之间的化学結合。以下參照附图进一歩描述本专利技术的这些和其它方面。附图的简要说明图IA-B说明了根据某些实施方案的包括核和多个外壳的纳米结构的侧视图和俯视图。图2A-C说明了根据某些实施方案的包括纳米结构的多种电极配置。图3说明了制造根据某些实施方案的纳米结构的流程图。图4是纳米结构的示意图，说明了根据某些实施方案的中空核和壳的横截面形状。图5A-B为根据某些实施方案的说明性电极设置的俯视和侧视图。图6A-B为根据某些实施方案的说明性圆形卷绕电池的俯视和透视图。图7为根据某些实施方案的说明性棱柱卷绕电池的俯视图。图8A-B为根据某些实施方案的说明性电极和分隔体片的叠层的俯视和透视图。图9为根据某些实施方案的卷绕电池的实例的横截面视图。实施方案详细说明在以下描述中阐明了许多的特定细节，以便提供对本专利技术的透彻理解。可以在没有某些或者所有这些细节的情况下实践本专利技术。在其它情况中，公知的工艺操作没有详细描述以免不必要地使本专利技术含糊难懂。尽管结合特定的实施方案描述了本专利技术，但是应该理解，其并非意在将本专利技术局限于所述实施方案。介绍碳是一种具有良好的电子导电性的常见阳极活性材料，但它在离子插入蓄电池中的容量相对较低。碳通常以粉末形式应用(例如石墨微米尺寸的颗粒)，并需要用于机械附接到导电基材的粘合剂。从容量的角度来看，硅是有吸引力的插入材料，但由于粉化而具有不良的循环寿命性并具有低电导率。一些公开的实施方案涉及电极中碳和硅的创造性结合。公开了用于促进和保持循环期间硅体积变化期间碳和硅之间接触的技术。公开了利用碳的高导电性和在化成循环期间在负电极上形成的所需固体电解质界面(SEI)层的其它技术。已经意外地发现，某些纳米结构有助于克服上面所述的某些问题，在所述纳米结构中，硅或其它高容量插入材料(“壳”)受到核(其在某些实施方案中可为高度导电的) 的支撑，并且至少部分地被外层(另一个壳)包覆从而与电解液隔离但不与电活性离子隔离。这类纳米结构的一个例子如图IA-B所示。纳米结构100可围绕核102形成，其本身为实心或中空结构。核可包括导电材料(如碳，金属)，在一些实施方案中为纳米结构的其它部分提供机械支撑。纳米结构100可包括两个或更多个完全或部分包围核1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】...

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