[发明专利]用于转化材料阴极的保护性涂层

说明书

相关申请信息

本申请要求2014年5月8日递交的名称为“PORTECTIVE COATINGS FOR CONVERSION MATERIAL CATHODES”的美国专利申请No.14/272,518的优先权，美国专利申请No.14/272,518是2013年6月19日递交的名称为“NANOSTRUCTURED MATERIALS FOR ELECTROCHEMICAL CONVERSION REACTIONS”的美国专利申请No.13/922,214的部分继续申请，该部分继续申请依据35U.S.C.§119(e)要求享有下列美国临时专利申请的权益：2012年7月24日递交的名称为“NANOSCALE LITHIUM COMPOUND AND METAL ELECTRODES”的美国临时专利申请No.61/674,961、以及2013年4月23日递交的名称为“NANOSTRUCTURED MATERIALS FOR ELECTROCHEMICAL CONVERSION REACTIONS”的美国临时专利申请No.61/814,821。上述申请出于各种目的在此分别全文通过引用方式并入本文。

背景技术

已经开发和使用许多电池类型，其具有各自的优点和缺点。锂由于其高电荷密度，已经用于各种电池类型。在可再充电的锂离子电池中，在放电期间，锂离子从负极移动至正极。遗憾的是，常规的电池系统及其制造和生产过程导致相对高成本、低能量密度的电池，这样的电池不满足许多应用的市场需求。

另一电池类型采用转化材料，该转化材料与锂或另一传输离子进行转化反应。转化材料与常规的锂离子电池相比，可具有较低的成本和较高的能量密度，但是其性能的一些方面需要改善。

发明内容

一个方面为能量储存装置，该能量储存装置包括阳极、电解质和阴极，阴极包括多个被涂覆的电化学活性材料颗粒。每一颗粒具有包括转化材料的芯和涂层。在许多实施方式中，所述涂层选择性地将转化材料与电解质隔离，且活性材料的容量大于约300mAh/g。在一些实施方式中，阴极还包括离子导体和/或电子导体。在一些实施方式中，阴极还包括集流体。在一些实施方式中，颗粒的中值粒径在约100nm和约1000nm之间。在一些实施方式中，颗粒的中值粒径在约200nm和约300nm之间。

在许多实施方式中，转化材料包括硫化物、氧化物、卤化物、磷化物、氮化物、硫族化物、硫氧化物、氟氧化物、硫氟化物、或者硫氟氧化物。转化材料可包括这些阴离子的锂化合物(尤其是在放电状态下)和/或这些阴离子的金属化合物(尤其是在充电状态下)。合适的金属的示例包括铁、锰、铜和钴。在一些实施方式中，在充电状态下，转化材料包含氟化物，例如氟化铁、或氟化亚铁、或LiFeF₃或Li₃FeF₆。

在各个实施方式中，转化材料可表征为金属成分和与该金属成分混合的锂化合物成分。在一些实施方式中，金属成分为铁、镍或铜。在一些实施方式中，锂化合物成分为锂卤化物、锂硫化物、锂硫-卤化物、锂氧化物、锂氮化物、锂磷化物、或锂硒化物。

在各个实施方式中，在全部颗粒中，涂层的中值厚度在约0.5nm和约15nm之间。在一些实施方式中，涂层可包括两个或更多个层，每一层的中值厚度在约0.5nm和约15nm之间。作为例子，涂层可包括氧化物、磷酸盐或氟化物。在一些实施方式中，所形成的涂层部分地锂化。在一些实施方式中，所制造的涂层不超过50％被锂化。在一些实施方式中，通过插入、合金掺入、离子键形成、或混合物形成来使涂层锂化。在一些实施方式中，涂层包括铝氧化物(Al_xO_y)或铝磷酸盐(Al_x(PO₄)_y)和/或铝氟化物(AlF_x)，其可被锂化或者可不被锂化。例如，涂层可包括Al₂O₃、AlPO₄、AlF₃和/或这些化合物中的任一化合物的化学计量变型。在许多实施方式中，在小于约300℃的温度下，使用浴涂、喷涂、或者原子层沉积来沉积涂层。在一些实施方式中，使用喷涂或者沉淀来沉积涂层。应理解，本文所公开的涂层材料可与所述的化学计量略有差异。