[发明专利]电池电极和方法

说明书

示出了一种硅基微结构材料和方法。在一个示例中，硅基微结构材料在诸如锂离子电池的电池中被用作电极。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月9日提交的名称为“电池电极和方法”的美国临时专利申请号61/113,921和于2014年5月22日提交的名称为“电池电极和方法”的美国临时专利申请号62/001,952的优先权，这两个专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及硅基材料微结构和方法。在一个示例中，本发明涉及用于锂离子电池的硅基阳极。

背景技术

需要改进的电池，例如锂离子电池。可以行改进的电池结构的一个示例是阳极结构。

附图说明

图1示出了根据本发明示例的形成涂覆多孔硅纤维材料的工艺的示例。

图2示出了根据本发明示例在各个生产阶段内的多孔硅纤维材料的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3a示出了根据本发明示例的材料的产率数据(yield data)。

图3b示出了根据本发明示例的与材料孔隙率相关的数据。

图4示出了根据本发明示例的材料的透射电子显微镜图像。

图5示出了与使用根据本发明示例的材料的电池的电测试相关的数据。

图6示出了根据本发明示例的电池。

图7示出了根据本发明示例的形成材料的方法。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考形成具体实施方式的一部分的附图，其中通过说明性方式示出在其中可以实践本发明的具体实施例。在附图中，贯穿附图，类似的附图标记描述基本相似的组件。充分详细地描述实施例以使得本领域普通技术人员能够实现本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑改变等。

由于硅在已知材料中具有为3579mAh g^-1的最高理论容量，硅被广泛认为是用于锂离子电池的石墨基阳极的继任者，其中所述理论容量对应于室温下形成Li₁₅Si₄。Si作为阳极材料所获得的大量关注还归因于其作为岩石形成元素的高丰度、无毒性和环境友好性。硅与大量Li的合金化能力导致体积膨胀超过300％，这样能够粉碎(pulverize)活性材料，使电连接性劣化并降解固态电解质相间(SEI)层。这些现象可以显着降低硅基阳极的循环寿命和容量。当特征尺寸小至150nm时，硅可以在锂化时断裂。规模在该临界尺寸以下的硅纳米结构避免使活性材料断裂和粉碎。然而，硅在循环期间的膨胀和收缩可以导致SFI层的反复断裂和重新形成。许多纳米结构(例如，多孔硅纳米线、双壁硅纳米管和多孔硅纳米颗粒(SiNP))都已经通过控制硅的体积膨胀证明了对关键SEI层的有效维护。

硅还具有低导电率，因此它可以与导电基质(诸如，碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)或保形碳涂层)结合使用。电旋涂(Flectrospinning)可以用于生产大范围组成的碳质纳米纤维基质，以便用于能量储存。可以电旋涂溶解在有机溶剂中的聚合物以及分散的活性材料(例如，硅或Fe₂O₃)，以产生具有嵌入式纳米颗粒的聚合物纤维。然而，这些基于有机聚合物的纤维可能需要长时间的热氧化稳定化(TOS)和碳化步骤，以便用于能量储存设备中。

此外，基于有机聚合物纤维中的活性材料的最终重量百分比可以远小于50％，这显着降低了总电极容量。纤维的大部分重量对应于导电碳基质，其存储比嵌入式活性材料少得多的锂。