[發明專利]用于鋰基儲能裝置的陽極

在審

• 申請號: 201980018665.6
• 申請日: 2019-02-26
• 公開（公告）號: CN111919313A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 約翰·C·布魯爾;凱文·坦西爾;保羅·D·加爾曼;羅伯特·G·安斯蒂
• 申請（專利權）人: 格拉芬尼克斯開發公司
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/38;H01M4/66;H01M10/0525
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;洪欣

公開了一種用于如鋰離子電池的鋰基儲能裝置的陽極。所述陽極包括包含金屬氧化物層的導電集電器；和設置在所述金屬氧化物層上方的連續的多孔儲鋰層。所述連續的多孔儲鋰層包括至少40原子％的硅、鍺或其組合。一種制造所述陽極的方法包括提供導電集電器，所述集電器具有導電層和設置在所述導電層上方的金屬氧化物層。所述金屬氧化物層的平均厚度可為至少0.05μm。通過PECVD在所述金屬氧化物層上沉積所述連續的多孔儲鋰層。

相關申請的交叉引用

本申請主張2018年2月26日提交的第62/635,290號美國臨時專利申請的優先權，所述美國臨時專利申請的內容以全文引用的方式并入本文中。

技術領域

本公開涉及鋰離子電池和相關的儲能裝置。

背景技術

已經提出將硅作為鋰離子電池的潛在材料來代替存儲容量限制在約370mAh/g的常規基于碳的陽極。硅很容易與鋰形成合金，并且硅比碳陽極具有更高的理論存儲容量(室溫下約3600至4200mAh/g)。然而，將鋰插入到硅基質和從硅基質中提取鋰會導致明顯的體積膨脹(300％)和收縮。這可以致使硅快速粉碎成小顆粒，并與集電器斷開電連接。

最近，業界將注意力轉向納米結構或微結構硅以減少粉碎問題，即，呈間隔開的納米或微線、管、柱、顆粒等形式的硅。從理論上講，將結構制成納米尺寸避免了裂紋擴展，且將其間隔開可為體積膨脹提供更多空間，從而使硅能夠以較小應力和更高穩定性吸收鋰，例如，與塊狀硅的宏觀層相比。

盡管對結構硅方法進行了研究，但由于尚未解決的問題，此類僅基于硅的電池尚未在市場上產生很大影響。一個重要的問題是制造復雜性和形成這些陽極所需的投資。例如，US20150325852公開了通過首先利用等離子體增強化學氣相沉積(plasma-enhancedchemical vapor deposition，PECVD)在納米線模板上生長基于硅的非共形多孔層，然后使用熱化學氣相沉積(CVD)來沉積更致密的共形硅層而制成的硅。硅納米線的形成可能對沉積條件下的小擾動非常敏感，這對質量控制和再現性提出了挑戰。用于形成納米結構或微結構硅的其它方法是使用硅晶片蝕刻，但其既耗時又浪費。此外，硅線與集電器之間的連接本質上是脆弱的，并且當經受制造電池所需的處理應力時，結構易于斷裂或磨損。

發明內容

仍然需要易于制造、經久耐用、充電容量高且能夠快速充電的鋰基儲能裝置(如鋰離子電池)的陽極。

根據本公開的實施例，提供了一種用于儲能裝置的陽極，其包括具有金屬氧化物層的導電集電器。連續的多孔儲鋰層設置在金屬氧化物層上方，所述連續的多孔儲鋰層包括至少40原子％的硅、鍺或其組合。在一些實施例中，陽極包括小于10原子％的碳。在一些實施例中，陽極基本上不含納米線、納米柱和納米管。在一些實施例中，陽極包括小于5重量％的碳基粘合劑、石墨碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳黑和導電碳。

根據本公開的另一實施例，一種形成用于儲能裝置中的陽極的方法包括提供導電集電器，所述導電集電器具有導電層和設置在導電層上方的金屬氧化物層，其中所述金屬氧化物層的平均厚度為至少0.05μm。通過PECVD將連續的多孔儲鋰層沉積在金屬氧化物層上，所述連續的多孔儲鋰層包括至少40原子％的硅、鍺或其組合。

本公開提供了用于儲能裝置的陽極，相對于常規陽極，所述用于儲能裝置的陽極可具有以下一個或多個優點：在1C的積極充電速率下改進的穩定性；更高的總面充電容量；每克硅更高的充電容量；改進的物理耐久性；簡化的制造工藝；以及更具可重復性的制造工藝。

附圖說明

圖1是根據本公開的實施例的陽極的橫截面視圖。

圖2是現有技術陽極的橫截面視圖。

圖3是根據本公開的另一實施例的陽極的橫截面視圖。