[发明专利]用于锂离子蓄电池的嵌入LiF的SiG粉末

说明书

描述了用作锂离子蓄电池中的阳极的纳米石墨烯复合材料，包括：电活性材料的颗粒；以及在该电活性颗粒上方的涂层，所述涂层包含多个石墨烯纳米片和SEI改性添加剂，其中所述SEI改性添加剂是设置在该电活性材料颗粒表面的至少一部分上的干燥粉末。

参考引入

本文中引用的所有专利、专利申请和公开经此引用全文并入本文，以便更充分地描述本文所述发明日期为止本领域技术人员已知的现有技术状态。

相关申请的交叉参考

本申请要求2014年10月6日提交的美国专利申请号62/060,319的权益，其内容经此引用全文并入本文。

发明背景

本发明涉及含有电活性材料的石墨烯纳米片复合材料。

锂离子蓄电池(LIB)正在应用于许多用途，包括电动或混合动力电动汽车(EVHEV)、消费电子产品、电网储能系统和分布式发电机组。LIB在此类市场的成功很大程度上取决于蓄电池组电池的成本、能量密度、功率容量、循环寿命和安全性，这在很大程度上受控于所用的电极材料。虽然由于其在90年代初第一个商业化，LIB技术已经明显领先，但它们仍未能跟上对具有更高储能容量的蓄电池日益增长的需求。例如，DOE的EV无处不在计划限定了以1000次循环400Wh/kg的EV电池目标，其购置成本可与传统ICE汽车相比。用当前的LIB化学还不能满足这一目标，尤其是使用石墨作为阳极。因为石墨的低容量，具有碳基阳极的电池可以达到最多200-250Wh/kg，取决于阴极的类型。因此，亟需开发用于下一代LIB的先进的阳极。

硅(Si)因其高容量和适当的工作电压被认为是最有前途的阳极材料。理论上，Si可以提供高达4200mAh/g的锂(Li)存储容量。其可以在0.0～0.4V的电势范围内锂化，这在与合适的阴极配对时能够制造高能量密度器件。尽管如此，用Si取代传统的石墨阳极材料已经证明极富挑战性。两个主要障碍阻碍了Si基阳极用于商业应用的开发，尤其是用于EV蓄电池的发展：

(i)低劣的循环寿命。由于在蓄电池充/放电过程中显著的体积变化(高达400％)，Si倾向于在循环过程中粉化，这又导致电接触的损失或甚至Si颗粒与电极涂层的崩解。

(ii)高合成成本。用于合成Si基阳极的大多数工艺采用昂贵的化学前体、外来合成方法或资本密集的工艺。此外，它们通常不适于大量生产。因此，这些工艺均未能成功地商业化。

为了解决循环稳定性问题，研究人员已经采取了多种方法，包括(a)使用纳米颗粒、纳米管、纳米球和纳米线，(b)通过各种方法施加碳涂层，或(c)设计多孔Si结构。虽然容量、倍率性能和循环稳定性已经用这些方法改进至一定程度，但该材料通常具有相对低的第一次循环可逆性，并通常仍不能满足大多数商业应用的寿命要求。

可以经由化学气相沉积和碳化法使用诸如沥青、葡萄糖、糖、聚丙烯腈、聚乙烯醇等等的碳前体用碳层涂覆硅颗粒。在此类涂覆法中，如图1A中所示，在Si 120表面上的碳薄膜110形成连续相，这导致延迟电解质渗透，并且因此第一次循环效率通常低。

其它方法包括如图1B中所示的用石墨烯材料130(例如由石墨氧化物还原的石墨烯和膨胀石墨烯)涂覆硅颗粒140。在这种情况下，石墨烯尺寸大于Si尺寸，并且一个石墨烯颗粒与超过一个Si颗粒接触。这导致了略微刚性的骨架，该骨架不能轻易地适应循环过程中显著的体积变化。

高成本仍然是阻止Si用作商业阳极的主要障碍，即使性能得到改善。因此，高性能和低成本Si基阳极仍然是蓄电池行业的高远目标。

此外，还难以用由Si纳米颗粒、Si纳米线、Si纳米管、Si合金、Si/碳和Si/石墨烯复合材料制造的Si基阳极构建稳定的全蓄电池，主要由于在延长的循环中在锂化/脱锂过程中SEI层的连续生长和Si与电解质之间的副反应。

对硅石墨烯纳米石墨阳极使用SEI改性添加剂(例如但不限于LiF)已经证明有助于改善全电池稳定性，并可能有益于稳定的电池性能。