[发明专利]具有变化特性的纳米复合物电池电极颗粒

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年10月13日提交的标题为“Nanocomposite Battery Electrode Particles with Changing Properties(具有变化的特性的纳米复合物电池电极颗粒)”的美国非临时申请No.14/882,166、2014年10月14日提交的标题为“Nanocomposite Battery Electrode Particles with Properties Changing Along their Radii(具有沿着其半径变化的特性的纳米复合物电池电极颗粒)”的美国临时申请No.62/063,493的优先权，上述申请的全部内容在此通过引用明确地并入本申请中。

背景技术

技术领域

本公开总体上涉及能量存储装置，并且更具体地涉及采用粉末基电极等的电池技术。

背景技术

对于很大范围的重要技术-例如能效行业设备、电动和混合电动交通工具(包括地面交通工具、空中交通工具和船舶)、电网和消费电器等等来说，电化学能量存储技术是有益的。部分由于它们相对的高能量密度、低重量和潜在寿命长，改进的金属离子电池-例如锂离子(Li离子)电池现在在消费电器和电动车辆应用中占据主要地位。然而，各种类型的电池都需要进一步的发展和改进。

能量密度(每单位容量的能量存储能力)是一个需改进的领域。大多数可充电电池采用含粉末电池材料的电极。这些粉末在电池充电或放电期间具有电化学反应。不幸的是，为这种粉末提供高体积容量(每个单位容积的高离子存储能力)的材料在电池运行期间通常遭受体积变化，这可以导致电池劣化。另外，许多这种材料还遭受低传导性(至少在某些充电或放电阶段期间)，这可以导致功率性能较低。例如，在可充电金属和金属离子电池(例如，Li离子电池)的情形中，提供高容量的材料-例如转换型阴极材料(例如，氟化物、氯化物、溴化物、硫化物、硫、硒化物、硒、氧化物、氮化物、磷化物和氢化物以及用于Li离子电池的其他物质)、转换和合金型阳极材料(例如，硅、锗、锡、铅、锑、镁、铝、它们的氧化物、氮化物、磷化物和氢化物以及用于Li离子电池的其他物质)以及其他材料遭受至少某些这种限制。容积在离子(例如，金属离子)插入/提取期间发生变化，这可以导致在电池运行期间电极的机械和电学劣化以及(尤其是，在金属离子电池的阳极材料的情形中)固体电解质界面(SEI)的劣化。这转而通常导致电池劣化。这些材料中的某些还遭受活性材料与电解质之间的非期望反应(例如，在电池电解质中活性材料或中间反应产品的溶解)。这也可以导致电池劣化。

需要进一步改进电池、成分和相关材料以及用于各种电池化工-包括但不限于可充电Li和Li离子电池的制造过程。

发明内容

在此公开的实施方式通过提供改进的电池成分、由所述电池成分制造而成的改进的电池以及使用改进的电池的方法来解决上述的问题。

本发明提供了采用复合颗粒的电池电极成分和制造方法。每个复合颗粒都可以包括例如高容量活性材料和多孔导电骨架基体材料。所述活性材料可以在电池运行期间存储和释放离子并且具有(i)作为阴极活性材料至少220mAh/g的具体容量，或者(ii)作为阳极活性材料至少400mAh/g的具体容量。活性材料可以设置在骨架基体材料的孔隙中。根据各种设计，每个复合颗粒都可以具有从所述骨架基体材料的中心到周边发生变化的至少一个材料特性。

附图说明

给出附图来帮助描述本发明的实施方式，并且提供附图仅为了说明而非限制本发明。

图1A-1D示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分，所述示例复合实施方式包括骨架基体材料以及限定在所述骨架基体内的高容量活性材料。

图2A-2E示出了根据某些示例实施方式的示例复合颗粒成分的不同方面，所述示例复合颗粒成分包括具有阶梯变化成分的骨架基体材料以及限定在所述骨架基体内的活性高容量材料。

图3A-3D示出了根据某些示例实施方式的(复合颗粒成分的)骨架基体材料的选定机械特性的示例分布图。

图4A-4D示出了根据某些示例实施方式的骨架基体材料的缺陷或功能群组的平均浓度沿着复合颗粒的半径的示例分布图。