[发明专利]三维多孔阳极电极的制造

说明书

一种用于高级锂电池的电极是使用涂覆有活性材料的三维结构金属泡沫制造的。金属泡沫是多孔金属泡沫，其可以用作锂离子电池的阳极集电体，并且通过超声辅助的无电电镀方法涂覆有诸如锡之类的阳极活性材料。另外，对经涂覆的金属泡沫在适当的温度下进行热处理，以便改进涂层的完整性，从而改进锂离子电池的循环性能。

描述

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2015年7月20日提交的美国专利申请62/194,564和62/194,677的优先权，其通过引用与本申请中引用的所有其他参考文献一起被并入。

背景文件

本发明涉及可充电电池技术领域，更具体地涉及可再充电锂离子电池技术。

锂离子电池(LIB)技术是重要的技术，并且在许多现代产品和装置中是必不可少的。锂离子电池技术被用于诸如信息技术(例如，移动电话、智能手机、平板电脑和笔记本电脑)、交通工具(例如，电动汽车)、工业(例如，便携式和可移动电子设备、电源和充电器)等之类的领域中。

对于高容量电池电源的需求日益增加，特别是对于诸如电动汽车和便携式家用电源的大规模应用。由于可再充电锂离子电池的性能高度依赖于所使用的阳极材料和阴极材料的类型，所以新型阳极材料和阴极材料的发展已经引起了相当的关注。

在商用锂离子电池中，石墨目前用于阳极，因为其具有低且平坦的工作电势、长循环寿命和低成本。然而，石墨具有导致低能量密度且不能满足大规模应用的理论容量(每克379毫安-小时)。石墨也具有较低的传输速率，这导致较低的功率密度。因此，石墨对于既要求高容量还要求高功率密度的阳极是不够的。

因此，需要一种改进的锂离子电池，特别是其具有改进的能量和功率密度。

发明内容

提出了一种制造用于锂电池电极的三维(3-D)连接的金属泡沫结构支架的方法，其通过在常规板上提供具有3D多孔结构的较大表面积来加速电化学反应。因此，新型阳极设计在锂离子电池中表现出改进的循环性能和高容量。

在一个实施方式中，一种方法包括：制造孔径范围从几百纳米到几微米的多孔金属泡沫，并将它们作为锂离子电池阳极的集电体(current collector)(或模板)来应用，并以“活性”材料涂覆金属泡沫集电体，其可以在充电期间与阳极表面上的锂离子反应并且将其存储。

在一个实施方式中，一种制造多孔金属泡沫的方法包括：(a)冷冻与铜棒的冷表面接触的模具中的金属(或金属氧化物)浆料；(b)在减压和低温下使冷冻的浆料升华，形成多孔的生坯；(c)烧结该多孔生坯以获得三维连接的多孔金属泡沫；(d)将多孔金属泡沫切成薄膜的形式；(e)通过沉积工艺(例如，无电电镀(electroless plating))在多孔金属泡沫的表面上用活性材料(例如，锡)涂覆多孔金属泡沫；以及(f)热处理涂覆有活性材料的多孔金属泡沫以获得更均匀和坚固的涂层。

在实施中，包括多孔金属泡沫(支架)的电池在被用作集电体时在结构上有利于最小化在锂离子电池的充电/放电过程期间在阳极中发生的剧烈的体积变化和应力。通过适当的后续热处理，还可以在集电体与活性材料合金的复合物中形成非活性材料。这种非活性材料的形成可以进一步缓冲锂离子嵌入/提取期间发生的体积变化和应力，改进阳极的循环性能。此外，具有多孔金属阳极的锂离子电池在高电压或高外部温度下存储时不会像具有碳基阳极的常规锂离子电池那样迅速降解。这是因为多孔金属阳极与常规的阳极板相比具有大得多的更大的表面积并且具有更大的耐温度变化性，因此导致更好的循环和充电/放电效率。