[發明專利]納孔硅和由其形成的鋰離子電池負極

在審

• 申請號: 201380026769.4
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN104396062A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: C.周;M.葛;J.榮;X.方
• 申請（專利權）人: 南加州大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525;B82B1/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 宋莉;凌志軍

相關申請的交叉引用

本申請要求題為“多孔硅納米線和由其形成的鋰離子電池(Porous?Silicon?Nonowires?and?Lithium?Ion?Batteries?Formed?Therefrom)”并且在2012年3月21日提交的美國申請序列號61/613,892、題為“多孔硅納米顆粒和由其形成的鋰離子電池(Porous?Silicon?Nanoparticles?and?Lithium?Ion?Batteries?Formed?Therefrom)”并且在2012年3月21日提交的美國申請序列號61/613,843、題為“多孔硅納米顆粒和由其形成的鋰離子電池(Porous?Silicon?Nanoparticles?and?Lithium?Ion?Batteries?Formed?Therefrom)”并且在2012年8月27日提交的美國申請序列號61/693,535、和題為“多孔硅納米顆粒和由其形成的鋰離子電池(Porous?Silicon?Nanoparticles?and?Lithium?Ion?Batteries?Formed?Therefrom)”并且在2012年10月19日提交的美國申請序列號61/716,044的優先權，將其全部完全引入本文作為參考。

技術領域

本公開內容涉及納孔(納米孔的，nanoporous)硅和由其形成的鋰離子電池負極(陽極)。

背景技術

鋰離子電池(LIB)作為用于便攜式電子設備的電源已經取得了極大的成功。然而，存在將LIB技術拓展至包括用于電動車的電池的強烈期望。在尋找用于替代或部分地替代目前使用的正極(陰極)-電解質-負極系統以便以相對低的生產成本獲得更高的容量、更高的功率密度和延長的循環壽命的新材料方面已經投入了巨大的努力。

圖1A描繪具有負極102和正極104的鋰離子電池(LIB)100。負極102和正極104通過隔板106隔開。負極102包括負極集流體108以及與所述負極集流體接觸的負極材料110。正極104包括正極集流體112以及與所述正極集流體接觸的正極材料114。電解質116與負極材料110以及正極材料114接觸。負極集流體108和正極集流體112經由閉合的外電路118電連接。負極材料110和正極材料114為這樣的材料：鋰離子120可遷移到其中或者從其遷移走。在插入(鋰化或嵌入)期間，鋰離子移入電極(負極或正極)材料中。在抽出(脫鋰或脫嵌)(即，相反過程)期間，鋰離子從電極(負極或正極)材料移出。當LIB放電時，鋰離子從負極材料抽出并且插入到正極材料中。當單元電池充電時，鋰離子從正極材料抽出并且插入到負極材料中。圖1A中的箭頭描繪在充電和放電期間鋰離子穿過隔板106的移動。圖1B描繪包括LIB100的設備130。設備130可為，例如，電動車、電子設備(例如，便攜式電子設備例如移動電話、平板或膝上型電腦等)等。

典型地，LIB使用金屬氧化物或金屬磷酸鹽(例如，LiMnO₂、LiFePO₄)作為正極材料和使用石墨作為負極材料。容量方面的進一步改善可通過將石墨用能夠容納更多鋰的新型負極材料替代而部分地實現?；诠璧匿嚭辖鹗悄軌蝻@著提高鋰離子嵌入量的有希望的材料。理論上，在室溫下1摩爾硅能夠容納3.75摩爾鋰以形成Li₁₅Si₄，其對應于3600mAh/g的容量-幾乎是石墨(LiC₆，372mAh/g)的十倍。已經研究了硅納米結構體作為用于鋰離子電池的負極材料，然而，起始材料(例如，硅烷和單苯基硅烷)是昂貴的，并且合成方法(例如，脈沖層沉積、化學氣相沉積)通常具有低的產率。

發明內容

在第一總體方面中，用于鋰離子電池的電極包括：納孔硅結構體，各納孔硅結構體限定多個(a?multiplicity?of)孔；粘結劑；和導電基底，其中所述納孔硅結構體與所述粘結劑混合以形成組合物，且所述組合物粘附至所述導電基底以形成所述電極。

所述第一總體方面的實施可包括以下特征的一個或多個。

在一些情況中，所述納孔硅結構體為具有100μm或更小的長度和100nm或更小(例如，10nm或更小)的直徑的納孔硅納米線。在一些情況中，所述納孔硅結構體為具有10μm或更小、1μm-10μm、1-100nm、50-150nm、或50-500nm的平均直徑的納孔硅顆粒。所述納孔硅結構體中孔的平均直徑在1nm-200nm范圍內。所述納孔硅結構體中相鄰的孔之間的距離在1nm-200nm范圍內。