[发明专利]基于有序石墨烯平面的嵌入电极

说明书

技术领域

本公开涉及电极材料，所述电极材料包括在制备用于锂离子电池应用的可再充电的阳极中用于电极材料如锂的嵌入的有序石墨烯平面。本公开也涉及在制备这种嵌入/脱嵌电极中使石墨烯平面大体上垂直于集流器表面生长的方法。

背景技术

锂离子电池是适用于笔记本电脑、电动工具和其他能够使用相对低的电势能的便携装置的次级(可再充电的)储能装置。锂离子电池也为汽车应用而开发。

在常见实施例中，锂离子电池单元包括由嵌入锂的石墨颗粒制成的阳极(在电池放电模式中阳极是负电极)。石墨的特征在于强键合碳原子的平面，和平面之间较弱的键合。因此，锂原子在石墨颗粒中的碳原子平面之间是分散的和稀释的。这些嵌有锂的石墨颗粒能够被沉积并且键合在金属集流器基底上。阳极材料与溶解在混合有机碳酸盐的无水溶剂中的锂盐(例如锂六氟磷酸盐)的电解质接触，所述混合有机碳酸盐例如碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯。电解质转而接触由例如过渡金属氧化物或磷酸盐的成分构成的阴极，所述阴极在电池的放电过程中接受从阳极穿过电解质输送的锂离子。当锂离子电池被再充电时，锂离子从阴极穿过电解质输送并且嵌入石墨颗粒中。

这种嵌有锂的阳极一般由球磨石墨颗粒在具有聚合物粘结剂材料(例如，EPDM或PvDF)和导电添加剂(例如，炭黑)的低沸点溶剂(例如，二甲苯)中制成。包含石墨的混合物然后被溶剂铸造在铜、镍或不锈钢集流器箔上来形成阳极组件。在锂离子电池单元的运行过程中，锂以锂原子的形式被嵌入石墨的碳平面之间。在电池的放电过程中，阳极中的锂原子被氧化成锂离子(Li⁺)，所述锂离子从石墨晶格迁移、进入电解质并且流入阴极。来自被氧化的锂原子的自由电子进入集流器和外部电负载电路，产生能够提供有用功(例如，为电动马达提供动力)的电流。非活性粘结剂的存在和在阳极集流器上实质上随机定位的石墨颗粒不一定提供关于我们在本文中描述的架构的高效阳极结构。

一般认为锂离子电池中的阳极的原子结构和组织在电池的锂输送效率和其经历重复充电和放电的能力中起作用。存在对改进的锂离子电池阳极结构的需要，并且存在相关的和更广阔的需求来另外改进包括嵌有金属离子的碳电极的电极。

发明内容

一个实施例注重于平面型碳电极结构的构建，所述结构使得金属原子/离子能够高效地和重复地输送进入碳电极结构的平面和从碳电极结构的平面输送出来。对这种结构的及时需求是如用于锂离子电池的嵌有锂的平面型碳阳极。在锂离子电池中，阳极材料经历重复的充电和放电，其中锂原子和离子必须运动进入平面型石墨烯层和从平面型石墨烯层运动出来。

虽然石墨颗粒包括碳原子的平面，但是碳原子的组织和取向在石墨颗粒中和石墨颗粒之间是不同的。现在发现平面型碳层的结构和取向对锂的运动效率是重要的。预制的嵌有锂的并且简单地应用到集流器表面的石墨颗粒或石墨片不一定提供高效的阳极结构。

石墨烯现在被认为是差不多理想的碳原子布置，所述布置在六方团簇的大阵列中的sp²-键合的碳原子的单个平面型板中，像原子规模的细铁丝网。根据本发明的实施例，用于电化电池电极的金属电子集电极基底被选择和制备，并且石墨烯平面在集电极材料的表面上原位形成。石墨烯平面能够由来自气态的碳前躯体材料例如甲烷或乙炔的碳原子的沉积形成。化学气相沉积实践、成分和装置通常对石墨烯平面并排地并且大体上垂直于金属电子集电极基底的生长是合适的。垂直于电子集电极板的石墨烯平面的这种有序布置提供用于金属原子和离子在电极和互补电解质之间高效输送的电极结构。

锂离子电池中的用于电极的集流器基底能够是例如铜、镍或不锈钢。集流器基底被置于化学气相沉积室中用于石墨烯垂直于集流器基底的生长。合适的碳-前躯体气体能够例如包括用氢气和氩气稀释来提供非氧化性气氛的甲烷的混合物(作为前躯体材料)。形成在金属基底上的碳沉积和石墨烯平面经常在大约300℃到大约600℃的气体和室温度下获得。包含碳的前躯体的分解能够通过由热灯丝产生的高温实现。碳前躯体气体的分解也能够通过形成与微波、直流或射频一起产生的等离子体而实现。碳沉积被实施来获得石墨烯平面的形成，所述石墨烯平面从集电极表面向上延伸并且大体上垂直于集电极表面。石墨烯平面能够从集电极表面连续地向上延伸到大约100μm。