[发明专利]纳米线电池方法和配置

说明书

发明领域

本发明总的来说涉及离子电池配置和方法，更具体地，涉及基于纳米线的电极配置及其制造方法。

背景

在包括与便携式电子设备、电动车辆以及可植入医疗设备关联的各个领域和产业内，对于具有高能量、低重量和长寿命的电池的要求已变得越来越重要。例如，能量、重量和循环寿命特征通常对于提高使用电池的特定设备的功能性是有用的。在便携式电子设备和可植入医疗设备中，这些和其它关联的方面对于功率增加(例如，来自附加处理电源)和/或设备尺寸减小是有用的。在电动车辆中，这些方面经常限制电动车辆的速度、动力和工作范围中的诸因素。

电池的各商用实施例充当存储并将来自化学氧化和还原反应的化学能转化成可用的电形式的电化学单元。该化学反应发生在由电池的两个电极构成的材料中，例如还原发生在阴极而氧化发生在阳极。这些反应部分由于构成阳极和阴极的材料之间的电化学电势差。在许多基于离子的电池中，这两种材料电极由例如电解质的离子导电体分隔，若非如此它们就是电绝缘的。每种电极材料电连接于导电的、较佳为金属性的材料，有时将其称为集电器。集电器则可使用允许在两者之间传递电子的外部电路彼此相连。为使电位差相等，当允许电子流过外部电路时，阳极释放离子(例如，通过氧化以形成离子)。电子流因流过电解质的离子流变得平衡。离子则与阴极的化学反应物质反应。已知材料所能接受的离子数为那种材料的比容量。经常以每重量的能量容量来限定电池电极材料，例如以mAh/g为单位。已投入许多研究以制造和研发更高容量电池的更高能量密度电极材料。

特定类型的电池为锂离子电池或锂电池。锂离子电池在电极之间传递锂离子以影响电池中的充电和放电状态。一种类型的电极使用石墨作为阳极。石墨阳极具有数量级为372mAh/g的可逆(可再充电)容量。石墨阳极通过在分层结构之间的锂离子夹层发挥作用。某些石墨阳极中的限制在于锂在LiC₆化学计量下在石墨中饱和。因此，将允许较大量锂插入的材料用作大容量锂电池阳极是有吸引力的。

石墨阳极的一些选择利用不涉及分层结构材料之间的锂离子夹层的存储机理。例如，某些过渡金属氧化物使用可提供700mAh/g的相对高能阳极的转化机理。另外一些选择包括例如Si、Sn、Bi和Al的元素，这些元素通过锂插入形成包含锂的合金。这些元素中的一些提供相对大的理论能量。通常这些元素在锂插入过程中表现出体积变化。例如，纯Si对Li_4.4Si具有4200mAh/g的理论容量，但在锂插入(合金化)过程中已表现出产生多达400％的体积变化。在薄膜和微米级微粒中，这样的体积变化会使Si粉碎并丧失与集电器的接触，这导致容量衰减和较短的电池寿命。由薄的无定形硅制成的电极可能表现出在许多工作循环后容量稳定性方面的提高，但这种薄膜很少具有用于可行的电池的足够活性材料。使用导电碳添加物增加导电性的尝试尚无法完全解决这些问题，由于一旦脱去合金成分(脱锂化)，微粒会收缩，并由此丧失与碳的接触。Si阳极已备有例如聚(二氟乙烯)(PVDF)的聚合物粘结剂，以尝试将微粒保持在一起，但是PVDF的弹性特征对大Si体积变化来说可能不够，并且不能完全减轻低下的导电性。这导致低库仑效率和低下的循环性。例如，使用与碳黑和PVDF混合的10μm尺寸的Si微粒已表现出导致3260mAh/g的第一放电容量；然而，充电容量仅为1170mAh/g，这意味着仅35％的低下库仑效率。在10次循环后，容量也衰减至94％。另外，导电性添加物和粘合剂增加了电极的重量，降低了电池的总重量和体积能力。

这些和其它特征已对锂合金材料用于锂电池阳极的设计、制造和使用提出了挑战。一种解决手段已采用纳米结构电池电极材料。纳米材料包括纳米线、纳米微粒和纳米管，所有这些均具有沿至少一维的纳米尺寸。纳米材料已因其具有更好的应力适应性、与电解质较高的界面接触面积以及电子传输的短路径长度而感兴趣地用于锂电池。这些特征可能导致提高的循环性、更高的功率比以及增大的容量。然而，当前效果还有改善的空间。

发明概述

本发明旨在克服上述挑战以及关联于上面讨论的应用类型及其它应用的其它方面。在许多描述的实现和应用中例示出本发明的这些和其它方面，其中的一些示出于附图中，并在下面的权利要求书章节中作出归纳。