用于电化学储存的复合材料制造技术

提供了复合材料和形成复合材料的方法。本文描述的复合材料能用作电池的电极材料。在某些实施方案中，复合材料包含大于0%重量比且小于约90%重量比的硅颗粒，以及大于0%重量比且小于约90%重量比的一种或多种类型的碳相。一种或多种类型的碳相中的至少一种能为基本上连续的相。形成复合材料的方法包括提供包含前体和硅颗粒的混合物，并热解前体以将前体转化为一种或多种类型的碳相从而形成复合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学储存的复合材料相关申请的交叉引用本申请要求2010年I月18日提交的第61/295，993号美国临时申请和2010年3月19日提交的第61/315，845号美国临时申请的权益，通过引用方式将其整体内容并入本文。背景专利
本专利技术涉及包含硅和碳的复合材料。具体地，本专利技术涉及用于电池电极的复合材料。_5] 相关技术描述 锂离子电池通常包含隔板和/或位于阳极和阴极之间的电解质。在一种类型的电池中，将隔板、阴极和阳极材料单独地形成片或膜。随后，将阴极片、隔板片和阳极片与分隔阴极和阳极(例如，电极)的隔板相继地堆叠或轧制以形成电池。对于待轧制的阴极、隔板和阳极，各个片必须足够可变形或有弹性以被轧制而不损坏，例如裂纹、破碎、机械损坏等。典型的电极包括导电金属(例如，铝和铜)上的电化学活性材料层。膜能被轧制或切割为片，然后将这些片分层堆积为堆。所述堆具有与在它们之间的隔板交替的电化学活性材料。专利技术概述在某些实施方案中，提供了复合材料。复合材料能包含大于0%重量比且小于约90%重量比的硅颗粒和大于0%重量比且小于约90%重量比的一种或多种类型的碳相(carbon phase)。此外,一种或多种类型的碳相中的至少一种为基本上连续的相。硅颗粒可具有小于约I ii m的平均最大尺寸。在一些实施方案中，硅颗粒包含复合材料的约20%重量比至约80%重量比。为基本上连续的相的一种或多种类型的碳相中的至少一种能为电化学活性的和导电性的。在一些实施方案中，为基本上连续的相的一种或多种类型的碳相中的至少一种包含硬碳。复合材料还可包含其它颗粒。例如，一种或多种类型的碳相能包含石墨颗粒。复合材料可包含导电颗粒、金属颗粒等。复合材料能基本上为电化学活性的。此外，复合材料可为自支撑的。在某些实施方案中，提供了包含本文描述的复合材料的电池电极。在某些实施方案中，提供了使用本文描述的复合材料的方法。所述方法包括仅在重量容量小于所述复合材料的约70%的最大重量容量下使用所述复合材料。在某些实施方案中，提供了形成复合材料的方法。所述方法包括提供包含前体和硅颗粒的混合物，并热解所述前体以将所述前体转化为一种或多种类型的碳相从而形成该复合材料。在热解所述前体后，混合物可形成自支撑的复合结构。一种或多种类型的碳相中的至少一种能为基本上连续的相。为基本上连续的相的一种或多种类型的碳相中的至少一种包含硬碳。在一些实施方案中，硅颗粒包含复合材料的约20%重量比至约80%重量比。在其它实施方案中，在所述混合物中硅颗粒包括大于0%重量比且小于约80%重量比，并且在所述混合物中所述前体包括约5%重量比且小于约80%重量比。混合物还可包括溶剂。所述前体能包括烃化合物、聚酰亚胺、酚醛树脂等。所述方法还能包括在基板上浇铸所述混合物，干燥所述混合物以形成膜，从基板上除去所述膜，以及在热压机中固化所述膜。所述方法还可包括由所述复合材料形成电池电极。附图简述图I例示了形成复合材料的方法的实施方案，其包括形成包含前体的混合物，浇铸所述混合物，干燥所述混合物，固化所述混合物以及热解所述前体；图2是平均速率为C/2. 6的放电容量图；图3是平均速率为C/3的放电容量图； 图4是平均速率为C/3. 3的放电容量图；图5是平均速率为C/5的放电容量图；图6是平均速率为C/9的放电容量图；图7是放电容量图；图8是平均速率为C/9的放电容量图；图9A和9B是对于20wt. %Si的固定百分比，作为来自2611c的PI衍生的碳和石墨颗粒的各个重量百分比的函数的可逆容量和不可逆容量的绘图；附图说明图10是作为碳的重量百分比的函数的第一循环放电容量的绘图；图11是作为热解温度的函数的可逆(放电)和不可逆容量的绘图；图12是4. 3cmX4. 3cm的不含金属箔支撑层的复合阳极膜的照片；图13是进行循环之前的复合阳极膜的扫描电子显微镜(SEM)显微照片(焦点未对准的部分是阳极的底部部分以及焦点对准的部分是复合膜的裂开的边缘)；图14是进行循环之前的复合阳极膜的另一 SEM显微照片；图15是被循环10次循环后的复合阳极膜的SEM显微照片；图16是被循环10次循环后的复合阳极膜的另一 SEM显微照片；图17是被循环300次循环后的复合阳极膜的SEM显微照片；以及图18包括复合阳极膜横截面的SEM显微照片。详细描述典型的碳阳极电极包括集电器，例如铜片。将碳连同惰性粘合材料一起沉积在集电器上。常使用碳，因为其具有优异的电化学性质并且还是导电的。如果除去集电器层(例如，铜层)，则碳不能自我机械支撑。因此，常规电极需要诸如集电器等支撑结构以能够用作电极。本申请描述的电极(例如，阳极或阴极)组合物能产生自支撑的电极。消除或最小化对金属箔集电器的需要，因为导电的碳化聚合物用于阳极结构中的电流收集以及用于机械支撑。与一类常规的锂离子电池电极中悬浮于非导电性粘合剂的微粒碳相反，碳化聚合物能在整个电极中形成基本上连续的导电碳相。使用碳化聚合物的碳复合混合物的优点包括例如，I)较高的容量，2)增强的过充电/放电保护，3)归因于消除(或最小化)金属箔集电器的较低的不可逆容量，以及4)归因于制造简单的潜在成本节约。目前用于可再充电锂离子电池的阳极电极通常具有约200毫安小时每克的比容量(包括金属箔集电器、导电添加剂和粘合材料)。石墨，即用于大多数锂离子电池阳极的活性材料，具有372毫安小时每克(mAh/g)的理论能量密度。相比之下，硅具有4200mAh/g的高理论容量。然而，锂插入时，硅膨胀超过300%。由于该膨胀，包含硅的阳极应能因为硅而膨胀以保持与硅的电接触。本申请还描述了使用碳化聚合物制造单片的、自支撑阳极的新方法。由于将聚合物转化为导电的电化学活性基质，因此产生的电极为足够导电的而能省略或最小化金属箔或网状集电器。转化的聚合物还充当循环过程中硅颗粒的膨胀缓冲以使得能实现高的循环寿命。在某些实施方案中，所产生的电极为基本上由活性材料组成的电极。在其它实施方案中，所产生的电极基本上为活性材料。电极能具有约500mAh/g至约1200mAh/g的高能量密度，其可能原因在于例如，I)使用硅，2)消除或显著减少金属集电器以及3)完全(或几乎完全)由活性材料组成。 本文描述的复合材料能用作大多数常规锂离子电池中的阳极；它们还能在一些电化学电偶(electrochemical couples)中与其它添加剂一起用作阴极。复合材料还能用于二次电池(例如，可再充电的)或原电池(例如，不可再充电的)。在某些实施方案中，复合材料为自支撑的结构。在其它实施方案中，复合材料为自支撑的单片结构。例如，在由复合材料组成的电极中可能不包含集电器。在某些实施方案中，复合材料能用于形成第12/838, 368号美国专利申请中讨论的碳结构,专利技术名称为“Carbon Electrode Structuresfor Batteries (电池的碳电极结构)”，其整体内容通过引用方式并入本文。此外，本文描述的复合材料能为例如，硅复合材料、碳复合材料和/或硅-碳复合材料。图I例示了形成复合材料100的方法的一个实施方案。例如，形成复合材料的方法包括形成包含前体的混合物，模块101。所述方法还能包括热解所述前体以将所述前体转化为碳相。所述前体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.18 US 61/295,993;2010.03.19 US 61/315,8451.复合材料，其包含 大于0%重量比且小于约90%重量比的硅颗粒； 大于0%重量比且小于约90%重量比的ー种或多种类型的碳相，其中所述ー种或多种类型的碳相中的至少ー种为基本上连续的相。2.如权利要求I所述的复合材料，其中所述硅颗粒具有小于约Iμ m的平均最大尺寸。3.如权利要求I或2所述的复合材料，其中所述硅颗粒包含所述复合材料的约20%重量比至约80%重量比。4.如权利要求1-3中任ー权利要求所述的复合材料，其中为基本上连续的相的所述ー种或多种类型的碳相中的至少ー种为电化学活性的和导电性的。5.如权利要求1-4中任ー权利要求所述的复合材料，其中为基本上连续的相的所述ー种或多种类型的碳相中的至少ー种包含硬碳。6.如权利要求1-5中任ー权利要求所述的复合材料，其中所述ー种或多种类型的碳相包含石墨颗粒。7.如权利要求1-6中任ー权利要求所述的复合材料，其还包含导电颗粒。8.如权利要求1-7中任ー权利要求所述的复合材料，其还包含金属颗粒。9.如权利要求1-8中任ー权利要求所述的复合材料，其中所述复合材料基本上为电化学活性的。10.如权利要求1-9中任ー权利要求所述的复合材料，其中所述复合材料为自支撑的。11.包含权利要求ι- ο中任ー权利要求所述的复合材料的电池电极。12.使用权利要求1-11中任ー权利要求所述的复合材料的方法，其包括仅在重量容量...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·帕克，亚历山大·高克温阔，拉比·匝欧克，威廉·斯堪克，吉尼斯·图龙·泰克西德尔，劳萨·斯蒂芬斯，
申请(专利权)人：新强能电池公司，
类型：
国别省市：