[发明专利]用于电化学电池的多孔集流体和电极

说明书

本发明涉及一种用在电化学电池中的组件，其中所述组件包括能够在电化学电池中用作电极和集流体的自支撑多孔金属基材。本发明还涉及制造根据本发明的组件以及包括至少一个根据本发明的组件的电化学电池的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2016年3月11日提交的、序号为62/307,328的、名称为“用于电化学电池的多孔集流体和电极”的美国临时专利申请的权益，在此通过引用其全部内容将其所公开的内容并入本文。

技术领域

本申请涉及一种电化学电池，更具体地涉及用在电化学电池中的电极和集流体。

背景技术

在过去的几十年中，例如锂离子电池(LIB)的电化学电池已经证明，至少部分由于其高的能量密度、长的循环寿命以及轻的重量、紧凑的结构，尤其在消费电子领域中是特别有吸引力的能源。电化学电池、一种能够被充电放电并再充电多次的可再充电电池使用负电极(例如阳极)、正电极(例如阴极)和电解质(例如导电介质)。虽然理解术语“阳极”和“阴极”根据电芯被充电还是被放电而分别用于负电极和正电极，以下术语“阳极”用于表示负电极并且术语“阴极”用于表示正电极。在使用期间，离子(例如在LIB的情况下为锂离子)在放电期间经由电解质从阳极运动到阴极，而在充电时从阴极运动到阳极。通常，电化学电池在电极的外表面还包括集流体以收集在放电期间由电池产生的电荷，以在电化学电池的再充电期间实现与外部电源的连接。例如，许多电化学电池包括结合至各个电极的金属集流体，其积聚电子并使它们运动到外部电路。

在适用于阳极结构的材料中，石墨至少部分由于其用于(例如锂)离子插嵌(即嵌入)的明确的分层结构、低的操作电位以及良好的界面稳定性已经作为常见的选择脱颖而出。然而，在LIB的情况下，能被嵌入石墨中的锂的最大量为每六个碳原子一个。因此，石墨的比容量被限制在372Ah/kg，任何嵌入更多锂的尝试都导致由枝晶形成带来的锂金属簇的形成。

已经发现“硬碳”(即无序碳质材料，其中碳原子大致设置在平面的六角形网络中而没有结晶序列，并且其中碳层大体上由于交联不可动)具有更高的容量(约450Ah/kg)。

因此，在本领域存在改进电化学电池、特别是改进电化学电池电极材料的需求。

发明内容

虽然对硬碳的较高容量的解释还没有最终定论，孔尺寸和硬碳的分布可能至少起一些作用。然而，尽管其具有相对较高的容量，硬碳的缺点在于密度低、与当前的阳极涂覆技术不兼容、不可逆容量较大以及电压分布滞后。

本发明主要涉及一种用在电化学电池中的组件，其中该组件包括自支撑的多孔金属基材，其能用作电化学电池中的电极和集流体。可选地，金属基材的孔可以被定制为具有硬碳材料的相同直径或其他特性。虽然本发明将参照LIB进行说明，应该理解的是可以使用任何能够根据本发明工作的可再充电的电化学电池。可以根据本发明的一些方案使用的示例性电化学电池包括锂-硫、钠离子和铅酸电池等。

根据一些方案，多孔金属基材可以是导电的。根据一些方案，多孔金属基材可以包括具有离子能够嵌入及脱离的特定孔尺寸和/或分布的多个孔。可选地，孔尺寸和/或分布可以定制为与硬碳材料相同。本发明还涉及制造本发明的组件的方法及制造包括至少一个根据本发明的组件的电化学电池的方法。

附图说明

图1为根据本发明的方案烧结多个纳米颗粒的示例的示意图。

图2A示出了根据本发明的方案的LIB的一个示例。

图2B示出了根据本发明的方案的LIB的一个示例。

图3示出了包括具有单独的集流体的参考电极的纽扣电池结构。

图4A、图4B、图4C和图4D示出了在三个充电放电循环中的每一个之后图3的参考电极的性能。