[发明专利]用于在电极材料上形成聚合物超薄保形涂层的聚合工艺

说明书

提供了一种用于电化学电池(如，锂离子蓄电池)中的电活性材料。电活性材料包括硅或锡，并且在锂离子电池操作期间发生明显的膨胀。在电活性材料的表面上方形成聚合物超薄保形涂层。该涂层是柔性的并且能够在至少一个方向上从收缩状态可逆地伸长至少250％伸长至膨胀状态，以在锂离子循环期间最大程度地减小或防止负极材料断裂。可以通过在原子层沉积(ALD)中反应的蒸气前体施涂涂层，以在电活性材料上方形成保形超薄层。同样提供了这种材料的制备方法及在电化学电池中使用这种材料的方法。

技术领域

本公开涉及用于电化学装置的电极材料，具体涉及用于锂离子电化学装置的具有聚合物超薄保形涂层的高性能含硅或含锡电极以及用于制造此类具有聚合物超薄保形涂层的电极的方法，包括通过利用蒸气前体的逐层聚合工艺。

背景技术

该部分提供与本公开相关的背景信息，但不一定是现有技术。

高能量密度的电化学电池(比如，锂离子蓄电池和锂硫蓄电池)可用于各种消费产品和车辆，比如，混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子蓄电池和锂硫蓄电池包含第一电极(例如，阴极)、第二电极(例如，阳极)、电解质材料和隔膜。通常，电连接蓄电池电池堆以增加总体输出。传统的锂离子蓄电池和锂硫蓄电池通过使锂离子在负极和正极之间可逆地穿行来进行工作。隔膜和电解质设置在负极和正极之间。电解质适于传导锂离子，且可以是固体或液体形式。在蓄电池充电期间，锂离子从阴极(正极)移动到阳极(负极)，并在蓄电池放电时，以相反的方向移动。

阳极材料和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间产生电势。当在电极之间的外部电路中产生电子电流时，通过蓄电池电池内的电化学反应来维持电势。电池堆内的负极和正极中的每个都连接到集流体(通常为金属，比如，用于阳极的铜和用于阴极的铝)。在蓄电池使用期间，与两个电极相关联的集流体通过外部电路连接，外部电路允许由电子产生的电流在电极之间穿行以补偿锂离子的传输。

用于形成阳极的典型电化学活性材料包括锂-石墨嵌入化合物、锂-硅合金化化合物、锂-锡合金化化合物、锂合金。虽然石墨化合物最常见，但最近，具有高比容量(与常规石墨相比)的阳极材料越来越受到人们的关注。例如，对锂而言，硅具有最高的已知理论充电容量，使其成为可再充电锂离子蓄电池最有前景的材料之一。然而，当前包含硅的阳极材料具有显著的缺点。在锂循环(例如，锂合金化或去合金化)期间，含硅材料大的体积变化(例如，体积膨胀/收缩)导致阳极开裂、电化学循环性能下降以及库仑充电容量减少(容量衰减)且循环寿命有限。

期望开发包含硅的高性能负极材料或其它负极材料，这种材料在锂循环期间膨胀，用于大功率锂离子蓄电池，这克服了当前阻止其广泛商业使用，特别是在车辆应用中的缺点。为了长期有效的使用，含硅的阳极材料应具有最小的容量衰减和最大的充电容量，以便长期用于锂离子蓄电池中。

发明内容

该部分提供了本公开的总体概述，并不全面公开其全部范围或其所有特征。

在某些方面，提供了用于锂离子电化学电池的负极材料。负极材料可以包含形成在负极材料表面上的聚合物超薄保形涂层，该负极材料选自由以下物质组成的群组：硅、含硅合金、含锡合金及其组合。涂层具有小于等于约50nm的厚度。涂层可以是柔性的，且因此能够在至少一个方向上从收缩状态到膨胀状态可逆地伸长至少50％，以在锂离子循环期间最大程度地减少或防止负极材料断裂。

在其它方面，本公开提供了制造用于电化学电池的负极的方法。该方法包含在选自由以下物质组成的群组的负极材料的表面上聚合一种或多种前体：硅、含硅合金、含锡合金及其组合。聚合形成厚度小于等于约50nm的聚合物超薄保形涂层。涂层可以是柔性的，且能够在至少一个方向上从收缩状态到膨胀状态可逆地伸长至少50％，以在锂离子循环期间最大程度地减少或防止负极材料断裂。通过选自由以下工艺组成的群组的工艺进行聚合：逐层聚合、阴离子聚合、阳离子聚合和自由基聚合。