[發明專利]用于在電極材料上形成聚合物超薄保形涂層的聚合工藝

有效

• 申請號: 201710321915.6
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107403910B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 肖興成;X·黃
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

提供了一種用于電化學電池(如，鋰離子蓄電池)中的電活性材料。電活性材料包括硅或錫，并且在鋰離子電池操作期間發生明顯的膨脹。在電活性材料的表面上方形成聚合物超薄保形涂層。該涂層是柔性的并且能夠在至少一個方向上從收縮狀態可逆地伸長至少250％伸長至膨脹狀態，以在鋰離子循環期間最大程度地減小或防止負極材料斷裂。可以通過在原子層沉積(ALD)中反應的蒸氣前體施涂涂層，以在電活性材料上方形成保形超薄層。同樣提供了這種材料的制備方法及在電化學電池中使用這種材料的方法。

技術領域

本公開涉及用于電化學裝置的電極材料，具體涉及用于鋰離子電化學裝置的具有聚合物超薄保形涂層的高性能含硅或含錫電極以及用于制造此類具有聚合物超薄保形涂層的電極的方法，包括通過利用蒸氣前體的逐層聚合工藝。

背景技術

該部分提供與本公開相關的背景信息，但不一定是現有技術。

高能量密度的電化學電池(比如，鋰離子蓄電池和鋰硫蓄電池)可用于各種消費產品和車輛，比如，混合動力電動車輛(HEV)和電動車輛(EV)。典型的鋰離子蓄電池和鋰硫蓄電池包含第一電極(例如，陰極)、第二電極(例如，陽極)、電解質材料和隔膜。通常，電連接蓄電池電池堆以增加總體輸出。傳統的鋰離子蓄電池和鋰硫蓄電池通過使鋰離子在負極和正極之間可逆地穿行來進行工作。隔膜和電解質設置在負極和正極之間。電解質適于傳導鋰離子，且可以是固體或液體形式。在蓄電池充電期間，鋰離子從陰極(正極)移動到陽極(負極)，并在蓄電池放電時，以相反的方向移動。

陽極材料和陰極材料與電解質的接觸可以在電極之間產生電勢。當在電極之間的外部電路中產生電子電流時，通過蓄電池電池內的電化學反應來維持電勢。電池堆內的負極和正極中的每個都連接到集流體(通常為金屬，比如，用于陽極的銅和用于陰極的鋁)。在蓄電池使用期間，與兩個電極相關聯的集流體通過外部電路連接，外部電路允許由電子產生的電流在電極之間穿行以補償鋰離子的傳輸。

用于形成陽極的典型電化學活性材料包括鋰-石墨嵌入化合物、鋰-硅合金化化合物、鋰-錫合金化化合物、鋰合金。雖然石墨化合物最常見，但最近，具有高比容量(與常規石墨相比)的陽極材料越來越受到人們的關注。例如，對鋰而言，硅具有最高的已知理論充電容量，使其成為可再充電鋰離子蓄電池最有前景的材料之一。然而，當前包含硅的陽極材料具有顯著的缺點。在鋰循環(例如，鋰合金化或去合金化)期間，含硅材料大的體積變化(例如，體積膨脹/收縮)導致陽極開裂、電化學循環性能下降以及庫侖充電容量減少(容量衰減)且循環壽命有限。

期望開發包含硅的高性能負極材料或其它負極材料，這種材料在鋰循環期間膨脹，用于大功率鋰離子蓄電池，這克服了當前阻止其廣泛商業使用，特別是在車輛應用中的缺點。為了長期有效的使用，含硅的陽極材料應具有最小的容量衰減和最大的充電容量，以便長期用于鋰離子蓄電池中。

發明內容

該部分提供了本公開的總體概述，并不全面公開其全部范圍或其所有特征。

在某些方面，提供了用于鋰離子電化學電池的負極材料。負極材料可以包含形成在負極材料表面上的聚合物超薄保形涂層，該負極材料選自由以下物質組成的群組：硅、含硅合金、含錫合金及其組合。涂層具有小于等于約50nm的厚度。涂層可以是柔性的，且因此能夠在至少一個方向上從收縮狀態到膨脹狀態可逆地伸長至少50％，以在鋰離子循環期間最大程度地減少或防止負極材料斷裂。

在其它方面，本公開提供了制造用于電化學電池的負極的方法。該方法包含在選自由以下物質組成的群組的負極材料的表面上聚合一種或多種前體：硅、含硅合金、含錫合金及其組合。聚合形成厚度小于等于約50nm的聚合物超薄保形涂層。涂層可以是柔性的，且能夠在至少一個方向上從收縮狀態到膨脹狀態可逆地伸長至少50％，以在鋰離子循環期間最大程度地減少或防止負極材料斷裂。通過選自由以下工藝組成的群組的工藝進行聚合：逐層聚合、陰離子聚合、陽離子聚合和自由基聚合。