用于电极制造的中间层制造技术

提供的是用于锂离子电池的新型电极。电极包括一个或多个位于基材与电化学活性材料之间的中间层。中间层可以由铬、钛、钽、钨、镍、钼、锂以及其它材料和它们的组合制成。中间层可以保护基材，帮助在电化学活性材料沉积过程中再分布催化剂，改善活性材料与基材之间的粘合，以及其它目的。在某些实施方案中，活性材料包括一种或多种高容量活性材料，如硅、锡和锗。这些材料倾向于在循环过程中膨胀，并会松脱与基材的机械和/或电连接。挠性中间层可以补偿膨胀并提供牢固的粘合界面。还提供了制造含有一个或多个中间层的电极的新方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电极制造的中间层相关申请的交叉引用本申请要求2009年11月11日提交的题为“用于电极制造的中间层”的美国临时申请号61/260，297的权益，其出于所有目的通过引用以全文并入本文。
技术介绍
极为需要高容量的可再充电蓄电池。许多应用领域，如航空航天、医疗器械、便携式电子产品和汽车，需要高质量比和/或体积比容量电池。锂离子电池技术代表了在这方面的显著改善。但是，时至今日，这项技术的应用主要受限于石墨电极，石墨在锂化过程中具有仅约372毫安/克的理论容量。硅、锗、锡与许多其它材料是吸引人的活性材料，因它们的高电化学容量。例如，硅在锂离子电池中的理论容量已经估计为大约4200毫安/克。然而，许多这些材料还没有广·泛应用于商业蓄电池。一个原因是它们在循环过程中经历体积的显著变化。例如，当充电至其理论容量或接近其理论容量(Li44Si)时硅膨胀多达400%。如此巨大的体积变化会在活性材料结构中产生巨大的应力，导致破裂和粉碎、电极中电连接的损失，以及电池的容量衰减。使用浆料的常规电极制造方法(其中浆料包括高容量活性材料颗粒和聚合物粘合齐U)通常获得具有差的循环寿命的电化学电池。大多数聚合物粘合剂的弹性不足以容纳活性材料的膨胀，这导致在放电过程中聚合物与活性材料颗粒之间的分离以及活性材料颗粒与集流体之间电连接的损失。整体而言，需要使上述缺点最小化的高容量活性材料在电池电极中的改善的应用。附图说明图I显示了根据某些实施方案的气液固(VLS)沉积过程的三个一般阶段。图2是根据某些实施方案的含有活性材料、基材和中间层的电极横截面的示意图。图3是进一步显示根据某些实施方案的中间层特定细节的电极横截面一部分的放大示意图。图4是制造含有根据某些实施方案的中间层的电极的整体工艺的流程图。图5A-B是根据某些实施方案的说明性电极排列的俯视图和侧视图。图6A-B是根据某些实施方案的说明性圆形卷绕电池的俯视图和透视图。图7是根据某些实施方案的说明性棱柱形卷绕电池的俯视图。图8A-B是根据某些实施方案的电极与分隔片的说明性堆叠体的俯视图和透视图。图9是根据实施方案的卷绕电池的实施例的示意性横截面图。专利技术概述提供了用于锂离子蓄电池的新型电极。电极包括一个或多个位于基材与电化学活性材料之间的中间层。中间层可以由铬、钛、钽、钨、镍、钥、锂以及其它材料和它们的组合制成。中间层可以保护基材，帮助在电化学活性材料的沉积过程中再分布催化剂，改善活性材料与基材之间的粘合，以及其它目的。在某些实施方案中，活性材料包括一种或多种高容量活性材料，如硅、锡和锗。这些材料倾向于在循环过程中膨胀，并会松脱与基材的机械和/或电连接。挠性中间层可以补偿膨胀并提供牢固的粘合界面。还提供了制造含有一个或多个中间层的电极的新方法。在某些实施方案中，用于锂离子蓄电池的电极包括基材、一个或多个在基材上形成的中间层、以及在一个或多个在中间层上形成并可用于在蓄电池循环过程中插入和移除锂离子的纳米结构形式的电化学活性材料。该电化学活性材料与基材电连通。在某些实施方案中，基材包括下列材料的一种或多种铜、镍、铝、不锈钢和钛 。在相同或其它实施方案中，活性材料包括下列材料的一种或多种硅、锡、锗、硅-锗组合、氧化锡、碳氧化硅(SiOC)和它们的化合物。在更具体的实施方案中，活性材料包括硅化物，或甚至更具体地，硅化镍。例如，活性材料可以包括具有在纳米线上形成的非晶硅层的硅化镍纳米线。在某些实施方案中，活性材料纳米结构是固定于基材的纳米线。在某些实施方案中，一个或多个中间层包括下列元素的一种或多种铬、钛、钽、钨、镍、钥、铁和锂。中间层的厚度可为约I纳米至2000纳米。中间层的单位表面积上的电阻可小于约I欧姆-平方厘米。在某些实施方案中，一个或多个中间层包括配置成在电化学活性材料形成过程中遮蔽基材的扩散阻挡层。在相同或其它实施方案中，中间层包括配置成在蓄电池循环过程中保持基材与电化学活性材料之间的机械连接的粘合层。中间层可具有配置成在活性材料形成过程中沉积催化剂层并由该催化剂层形成催化剂岛状物的表面张力。在相同或其它实施方案中，配置一个或多个中间层以便使催化剂颗粒与载体流体分离。中间层可包括暴露表面，所述暴露表面具有使得催化剂以不连续的斑点(patch)形式分布的粗糙度。中间层可具有提供用于促进电化学活性材料沉积的成核位点的表面条件。还提供了制造用于锂离子蓄电池的蓄电池电极的方法。方法可以包括接收用于蓄电池电极的基材，在基材上形成导电的中间层，并在一个或多个中间层上沉积包含纳米线的电化学活性材料。电化学活性材料配置成在蓄电池循环过程中插入和移除锂离子。沉积电化学活性材料可包括气液固(VLS)化学气相沉积(CVD)技术。在某些实施方案中，沉积活性材料包括首先在一个或多个中间层上沉积催化剂。可以沉积两个或更多个中间层。在某些实施方案中，中间层包括在活性材料沉积过程中增进活性材料成核的表面条件。下面参照附图进一步描述本专利技术的这些和其它方面。实施方案详述在下列描述中，列举大量具体细节以提供对本专利技术的全面理解。可以在没有这些具体细节的一部分或全部的情况下实施本专利技术。在其它情况下，并未详细描述公知的过程操作以便不会不必要地模糊本专利技术。虽然将与具体实施方案结合描述本专利技术，但要理解不希望将本专利技术限制至所述实施方案。引言取代在锂离子电池制造中常规所进行的用聚合物粘合剂将活性材料粘接于基材，活性材料可以在通过沉积或其它方式制造它们的过程中(由此制造“生长固定”的活性材料)或在其制造之后(通过例如烧结或以其它方式熔合)直接粘接于集流基材上。在某些实施方案中，可能需要在制造或粘结工艺过程中保护基材的表面。下面描述需要此类保护的原因，以及施加此类保护的技术。目前，要理解的是，通过插入到电极基材与活性材料之间的一个或多个“中间层”提供保护。还要理解的是，活性材料通常是小颗粒或“纳米结构”的形式，这将在下文更详细地描述。高容量活性材料通常在电池的电化学循环过程中经历相当大的体积变化。此类活性材料可松脱与基材的电和机械连接，导致电池劣化。解决这个问题的一种方法是通过将活性材料(其为纳米结构形式)粘接于基材。在一些情况下，活性材料以称为“基材固定”的方式粘接于基材上。这种布置在基材与活性材料之间提供直接的机械支持和电连通；这通常会在基材与活性材料之间提供冶金连接(这不一定是指该连接是晶格匹配的)和/或电耦合(和/或连接)。固定于基材的纳米结构的各个实例与相应的制造方法描述在2009年5月7日提交的美国专利申请号12/437,529中，其出于描述固定于基材的纳米结构的目的通过引用以全文并入本文。在某些实施方案中，纳米结构具有一个显著大于其它两个的维度。最大维度称为长度。某些纳米结构，尤其是具有高长宽比的纳米结构，可以具有弯曲的形状。在这些情况下，纳米结构的长度是代表性曲线的长度。横截面定义为纳米结构在垂直于该长度的平面中的剖面。纳米结构沿其长度可具有许多变化的横截面(横断的)维度。此外，活性层可以具有具备不同横截面，形状与尺寸的纳米结构(例如锥形纳米结构)。纳米结构形状的实例包括球形、锥形、棒、线、弧形、鞍形、薄片、椭球、带形等等。横截面形状通常取决于组成、晶体结构(例如晶态、多晶态、非晶态)、尺寸、沉积工艺参数和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.11.11 US 61/260,2971.用于锂离子蓄电池的电极，该电极包含 基材； 在基材上形成的一个或多个中间层；和 电化学活性材料，其为在一个或多个中间层上形成且在蓄电池循环过程中可用于插入和移除锂离子的纳米结构的形式， 其中所述电化学活性材料与所述基材电连通。2.权利要求I的电极，其中所述基材包含选自铜、镍、铝、不锈钢和钛的一种或多种材料。3.权利要求I的电极，其中所述活性材料包含选自硅、锡、锗、硅-锗组合、氧化锡、碳氧化硅(SiOC)和它们的化合物的一种或多种材料。4.权利要求3的电极，其中所述活性材料包含硅化物。5.权利要求4的电极，其中所述活性材料包含硅化镍。6.权利要求I的电极，其中所述一个或多个中间层中的至少一个包含选自铬、钛、钽、钨、镍、钥、铁和锂的一种或多种元素。7.权利要求I的电极，其中一个或多个中间层的厚度为约I纳米至2000纳米。8.权利要求I的电极，其中在一个或多个中间层的单位表面积上的电阻为小于约I欧姆-平方厘米。9.权利要求I的电极，其中所述纳米结构包含固定于基材的纳米线。10.权利要求I的电极，其中所述一个或多个中间层包含配置成在形成所述电化学活性材料的过程中遮蔽所述基材的扩散阻挡层。11.权利要求I的电极，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·S·德尔哈根，R·J·法辛，G·E·洛夫尼斯，韩松，E·M·伯迪柴夫斯基，C·I·斯蒂芬，崔屹，M·C·普拉特申，
申请(专利权)人：安普雷斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：