用于锂离子电池的包含纳米纤维的阳极材料制造技术

本发明专利技术涉及用于原电池，特别是锂离子电池的阳极材料。为了改善原电池的电流密度和热稳定性，所述阳极材料包含由金属、金属合金、碳-金属氧化物复合材料、碳-金属复合材料、碳-金属合金复合材料、导电性聚合物、聚合物-金属复合材料、聚合物-金属合金复合材料或它们的复合材料形成的纳米纤维（1）。所述纳米纤维（1）可以以纳米纤维编织物、非织造织物和/或网眼织物形式形成并与电流导体（3）相连。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的包含纳米纤维的阳极材料本专利技术涉及阳极材料、原电池和其制备方法。现有技术目前，市售的锂离子电池大多具有石墨阳极，其可以在充电和放电过程中可逆地嵌入和脱嵌锂。但是，石墨的最大容量受到最多可嵌入的锂量的限制而大约为370mAh/g。这种潜力几乎被现代的具有纯石墨阳极的锂离子电池所耗尽。因此，需要新型的阳极材料。在设计新型的阳极材料时，重要的是材料的功率密度和高的循环稳定性。为了应用于汽车领域，锂离子电池应该具有高的电流密度和热稳定性以及约3000次循环的循环稳定性。
技术实现思路
本专利技术的主题是用于原电池，特别是锂离子电池的阳极材料或负电极的材料，其包含由金属、金属合金、碳-金属氧化物复合材料、碳-金属复合材料、碳-金属合金复合材料、导电性聚合物、聚合物-金属复合材料、聚合物-金属合金复合材料或它们的复合材料形成的纳米纤维。在本专利技术的范围，纳米纤维是指那些平均纤维直径≤1000nm和平均纵横比大于200:1的纤维。其中，纵横比是指纤维长度与纤维直径的比例。在本专利技术的范围，碳的概念是指(纯)碳的变体，特别是通过热解作用可以得到的碳变体。其中碳与其它元素(例如氢)结合的碳化合物，例如聚合物，在本专利技术的范围不理解为碳的概念中。 这种纳米纤维有利地可以具有高的导电性。除了其本身高的导电性，纳米纤维可以明显改善阳极材料的内部导电性，因为所述纳米纤维基于其高的纵横比具有大的表面积，并因此可以将布置在纳米纤维之间、之内或之上的活性材料特别好地电接触，并可以特别好地向其输入电流或从其放出电流。此外，这种纳米纤维可以很好地与阳极电流导体(Ableiter)材料(例如铜)相连。此外，电解液可以通过这种纳米纤维的编织物或非织造织物或网眼织物非常好地扩散到其中。因此，可以有利地实现高的电流密度。此外，所述纳米纤维平衡了锂嵌入时的体积膨胀，这对循环稳定性和热稳定性起到有利的作用。所述纳米纤维的平均直径例如可以在≥5nm到≤1000nm,特别是≥50nm到 1000nm的范围，例如≥50nm到≤ 200nm,和/或其平均纤维长度大于1cm,例如大于10cm。任选地，所述纳米纤维的平均纤维长度可以为几米或几百米或甚至几千米。所述纳米纤维的平均纵横比特别是可以为大于500:1，例如大于1000:1或大于5000:1或大于10000:1。所述纳米纤维特别是可以通过静电纺丝技术，也称为电纺纱技术而制备。 在一个实施方式的范围，所述阳极材料包含以纳米纤维编织物和/或纳米纤维非织造织物和/或纳米纤维网眼织物的形式的纳米纤维。以这种方式，可以有利地制备具有大的表面积的纳米纤维的、三维的、多孔的阳极结构。有利地，纳米纤维编织物或纳米纤维非织造织物或纳米纤维网眼织物的多孔性可以最多达到95体积％。其中有利地，每个纳米纤维之间的大的孔空间例如可以让溶剂和电解液很好地进入。此外，这些编织物/非织造织物/网眼织物也提供了导电性的、多孔的纳米网络，该网络可以有利地起到三维性地扩大电流导体导体的作用。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维包含可锂化的材料。特别是纳米纤维或纳米纤维复合材料的金属或金属合金或金属氧化物可以被锂化。在本专利技术的范围，可锂化的材料，特别是可锂化金属或可锂化金属合金或可锂化金属氧化物或可锂化纳米颗粒特别是指锂可以插入或嵌入其中的材料，特别是金属或金属合金或金属氧化物或纳米颗粒。可锂化的金属或金属合金例如有硅、锡或镍锡合金。在硅中，锂特别是可以按照下列反应方程式嵌入和再次脱嵌:Si + 4.4Li+ + 4.4e—— L4 4SiL4 4Si — Si + 4.4Li+ + 4.4e 在锡中，锂特别是可以按照下列反应方程式嵌入和再次脱嵌:Sn + 4.4Li + + 4.4e—— L4 4SnL4 4Sn — Sn + 4.4Li+ + 4.4e 在镍锡合金中，锂在体系第一次充电过程中特别是可以按照下列反应方程式嵌入: Ni3Sn4 + 17.6Li+ + 17.6丨—4L4.4Sn + 3Ni 在体系第一次充电过程中，特别是进行了金属相的不可逆结构转化，其中先前起到占位元素作用的镍原子在减小的膨胀的情况下被锂原子取代。由这种不可逆的转化产生了特别是多孔的结构，该结构可以在锂接收或放出过程中缓冲体积变化。然后相应于与锡相关所阐述的反应方程式进行接下来的放电或充电过程。其中，从合金中置换出的镍可以起到增接触剂(Kontaktvermittler)的作用。可锂化的金属氧化物例如有Sn02、Fe3O4, Fe2O3和Ti02。可锂化材料的另一例子是碳。 利用由可锂化金属、可锂化金属合金、具有可锂化金属氧化物的碳-金属氧化物复合材料、具有可锂化金属的碳-金属复合材料、具有可锂化金属合金的碳-金属合金复合材料、具有可锂化金属的聚合物-金属复合材料、具有可锂化金属合金的聚合物-金属合金复合材料或它们的复合材料形成的纳米纤维，除了可以改善已经阐述的导电性能外，还可以改善原电池的锂嵌入容量和因此其总容量、循环稳定性和热稳定性。其中有利地，由于纳米纤维高的纵横比，在锂嵌入时的体积膨胀效应低至可以忽略。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维由可锂化的金属或可锂化的金属合金形成。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维由硅、锡或镍锡合金形成。通过这种阳极材料，有利地可以实现最多接近4200mAh/g (对于硅的情况)和最多接近990mAh/g (对于锡的情况)的容量。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维由聚合物-金属或聚合物-金属合金复合材料和/或杂合材料(Hybridmaterial)形成。其中，也优选使用可锂化金属，特别是娃或锡，或可锂化金属合金，特别是镍锡合金。其中，作为聚合物优选使用导电性聚合物。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维由碳-金属氧化物复合材料形成。其中，也优选使用可锂化金属氧化物或多种可锂化金属氧化物的混合物作为金属氧化物。其优点在于，碳和可锂化金属氧化物可以嵌入锂，并可以实现高的锂嵌入容量。其中，例如可以使用Fe3O4, Fe203> TiO2, SnO2和其组合物作为金属氧化物。这种碳-金属氧化物复合材料例如可以通过含有金属盐的例如通过静电纺丝得到的聚合物纳米纤维(例如聚丙烯腈纳米纤维)的热解作用而制备。其中，通过热解作用可以将所述聚合物转化成碳和任选将金属盐转化成金属氧化物(例如Fe304)。通过复合材料的碳可以有利地提高由复合材料形成的纳米纤维的内聚力和改善其电流导电性。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维由碳-金属或碳-金属合金复合材料形成。其中，也优选使用可锂化金属或可锂化金属合金。其优点在于，碳和可锂化金属或者可锂化金属合金可以嵌入锂，并可以实现高的锂嵌入容量。其中，也优选使用硅或锡作为金属，或者使用镍锡合金作为金属合金。这种碳-金属-或者碳-金属合金复合材料纳米纤维例如可以通过含有金属盐的例如通过静电纺丝得到的聚合物纳米纤维(例如聚丙烯腈纳米纤维)的热解作用而制备。其中，通过热解作用可以将所述聚合物转化成碳和任选将金属盐转化成金属或金属合金。通过复合材料的碳也可以有利地提高由复合材料形成的纳米纤维的内聚力和改善其电流导电性。在另一实施方式的范围，所述纳米纤维由导电性聚合物形成。其中，聚合物的概念可以特别是指该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.11.26 DE 102010062006.81.用于原电池，特别是锂离子电池的阳极材料，其包含由金属、金属合金、碳-金属氧化物复合材料、碳-金属复合材料、碳-金属合金复合材料、导电性聚合物、聚合物-金属复合材料、聚合物-金属合金复合材料或它们的复合材料形成的纳米纤维(I)。2.根据权利要求1的阳极材料，其特征在于，所述阳极材料包含以纳米纤维编织物和/或纳米纤维非织造织物和/或纳米纤维网眼织物形式的纳米纤维(I)。3.根据权利要求1或2的阳极材料，其特征在于，所述纳米纤维(I)包含可锂化的材料。4.根据权利要求1-3之一的阳极材料，其特征在于，所述纳米纤维(I)由硅、锡或镍锡合金形成。5.根据权利要求1-4之一的阳极材料，其特征在于，所述纳米纤维(I)含有由可锂化材料形成的涂层(2)。6.根据权利要求1-5之一的阳极材料，其特征在于，所述纳米纤维(I)含有由硅、锡或镍锡合金形成的涂层(2)。7.根据权利要求1-6之一的阳极材料，其特征在于，所述纳米纤维(I)具有平均层厚度Cd)在彡5nm到< 3 μ m的范围的涂层(2)。8.根据权利要求1-7之一的阳极材料，其特征在于，用气凝胶(4)填充所述纳米纤维(2)之间的空间。9.根据权利要求8的阳极材料，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：J哈肯贝格，U莫克，B瓦尔特，I赛特勒，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：
国别省市：