[發明專利]用于生產鋰離子電池的陽極的方法

在審

• 申請號: 201980047816.0
• 申請日: 2019-06-06
• 公開（公告）號: CN112789748A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 多納托·溫琴齊;西爾維奧·富加蒂尼;阿爾弗雷多·安德烈奧利;達米亞諾·吉布托尼;雷莫·扎卡里亞·普羅耶蒂;烏邁爾·古爾扎爾;陳林
• 申請（專利權）人: 費拉拉大學;意大利學院科技基金會;熱那亞大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/13;H01M4/134;H01M4/1395
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

一種用于生產鋰離子電池的陽極的方法，包括以下步驟：通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)將活性材料(1)直接沉積在旨在形成集電器的金屬基底(2)上，該活性材料(1)基本上包括鍺膜，以及使膜(1)經受陽極氧化以使膜(1)多孔或增加膜(1)的孔隙率。

技術領域

本發明總體上涉及鋰離子電池領域。

背景技術

鋰電池由于其高的重量容量(gravimetric capacity，即每單位質量所累積的電荷量)是用于存儲電能的最廣泛使用的技術之一。特別地，鋰離子電池用在便攜式設備、汽車領域、航空航天領域中，最近還用在家用蓄電池中，用于存儲光伏板產生的能量。在所有這些領域，都需要具有越來越高的累積電荷質量比的設備。

重量容量(用于測量該比率的參數)以mAh/g表示，代表了為獲得更高性能的電池而需要改進的關鍵因素之一。另一個基本方面是在數百或數千次充電和放電循環中保持這種重量容量。

鋰在電池中的使用主要是由于其是正電性最高(與標準氫電極相比約為3.4V)的元素之一并且是金屬中密度最低(0.53g/cm³)的元素的特性。這些特征允許分別獲得單個電池的大的電勢差(3.6V開路)和相對于其他金屬(在鉛的情況下為260mAh/g)高得多的重量容量(3860mAh/g)。對于用于電池而言非常重要的鋰的另一個特性在于與小離子半徑相關的原子的高擴散率，這允許獲得高充電和放電速度。

一次電池直接將鋰金屬用作陽極，但是，盡管進行了許多嘗試，但仍不可能用鋰制成的電極來形成可靠的二次電池。造成這種失敗的主要原因有兩個：充電過程中在陽極上形成的枝晶引起的短路，以及危及設備的安全性的鋰的高反應性。

解決此限制的方法是開發鋰離子電池，其中鋰金屬被能夠在充電/放電期間容納和釋放鋰離子的嵌入陽極材料代替。這限制了金屬的反應性，從而使設備本質上更加安全。在通常使用的電池中，鋰源通常包含在陰極中，陰極由諸如LiFePO4、LiMn2O4和LiCoO2的氧化物形成，而陽極則由石墨制成。

鋰離子電池通常由陽極和陰極(其中一個包含化學鍵合的鋰)、電解質以及通常為聚合物的隔膜組成。

完整設備的重量容量取決于組成它的所有元素的特征，但是具有足夠改進空間的研究領域涉及研究替代石墨的新型陽極材料。盡管是惰性化合物，易于加工且相對經濟，但由于相對較低的理論重量容量(372mAh/g)，使用各種形式的碳實際上構成了對電池性能的限制。

一種材料的重量容量本質上取決于它與鋰形成的合金的類型：在石墨的情況下，獲得的比率是每六個碳原子一個鋰原子(LiC6)。對新材料的搜索是基于對可最大化陽極內合金中鋰含量的物質的識別。有一些材料(通常是半導體)具有比石墨的重量容量高得多的重量容量。硅(4200mAh/g)和鍺(1600mAh/g)是兩個最常見的例子。在這兩種情況下，鋰原子和半導體原子之間的比率均為22：5(Li22Si5、Li22Ge5)，但是由于Si的密度低于Ge，因此第一個比第二個具有更大的重量容量。盡管如此，Ge還是特別受關注，因為它的鋰擴散率大400倍，電導率通常高10,000倍。這使鍺能夠比硅承受更快的充電和放電狀態，并獲得總體上更高性能的電池。

但是，這些材料具有仍然阻礙它們在商業設備中的使用的局限性：鋰化過程中在陽極中積聚的高比例鋰離子會導致較大的體積變化，最大可達400％，這很快導致分離和/或電極粉化。

為了形成使用半導體作為陽極材料的可靠器件，必須形成一種結構，該結構允許可逆地適應體積變化并確保陽極材料與充當集電器的基底材料之間的機械和電氣粘附。

解決這個雙重技術問題的方法包括由以下非平凡的組合所定義的過程：半導體材料、用作集電器的金屬基底、沉積技術、同一半導體材料的納米結構技術。