[发明专利]含有在石墨烯泡沫孔中原位生长的硅纳米线的锂离子电池阳极以及生产方法

说明书

一种用于生产阳极层的方法，所述方法包括：(a)将催化剂金属涂覆的Si颗粒、石墨烯片和任选的发泡剂分散在液体介质中以形成石墨烯/Si分散体；(b)将所述分散体分配和沉积到支撑基材上以形成湿层，并且从所述湿层中除去所述液体介质以形成干燥的石墨烯/Si混合物材料层；并且(c)使所述干燥的层暴露于从300℃至2,000℃的高温环境，以从石墨烯片诱导挥发性气体分子或活化所述发泡剂以产生石墨烯泡沫，并且同时能够实现在所述泡沫的孔中从作为进料材料的Si颗粒发出的多个Si纳米线的催化剂金属催化的生长以形成所述阳极层；其中所述Si纳米线具有5‑100nm的直径和至少5的长度与直径纵横比。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年10月6日提交的美国专利申请号15/287,078的优先权，该专利申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及可再充电锂离子电池领域，并且更具体地，涉及一种含有硅纳米线(作为阳极活性材料，嵌入石墨烯泡沫层中并受其保护)的阳极电极，以及其生产方法。

背景技术

现有技术信息的论述在此于该背景部分中分为三个部分：(a)用于锂离子电池的高容量阳极活性材料和与这些材料相关的长期存在的问题的论述；(b)称为“石墨烯”的新2-D纳米材料，及其作为阳极活性材料的导电添加剂材料的先前用途；和(c)称为“石墨烯泡沫”的基于石墨烯的泡沫材料。

锂离子电池的单元电芯或结构单元典型地由阳极活性材料层、阳极或负电极层(含有负责在其中储存锂的阳极活性材料、导电添加剂和树脂粘合剂)、电解质和多孔隔膜、阴极或正电极层(含有负责在其中储存锂的阴极活性材料、导电添加剂和树脂粘合剂)和单独的阴极集流体构成。电解质与阳极活性材料和阴极活性材料都处于离子接触。如果电解质是固态电解质，则不需要多孔隔膜。

粘合剂层中的粘合剂用于将阳极活性材料(例如石墨或Si颗粒)和导电填充剂(例如炭黑或碳纳米管)粘合在一起以形成具有结构完整性的阳极层，并且将阳极层粘合到单独的阳极集流体上，该阳极集流体起到在电池放电时从阳极活性材料收集电子的作用。换言之，在电池的负电极侧，典型地包括四种不同的材料：阳极活性材料、导电添加剂、树脂粘合剂(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)或苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR))和阳极集流体(典型地是Cu箔片)。

用于锂离子电池的最常用的阳极活性材料是天然石墨和可以用锂插层的合成石墨(或人造石墨)，并且所得的石墨插层化合物(GIC)可以表示为Li_xC₆，其中x典型地是小于1。可以可逆地插层到完美石墨晶体的石墨烯平面之间的间隙中的锂的最大量对应于x＝1，限定了372mAh/g的理论比容量。

石墨或碳阳极由于存在保护性固体电解质界面层(SEI)可以具有长循环寿命，该界面层在前几次充-放电循环期间由锂与电解质之间(或锂与阳极表面/边缘原子或官能团之间)的反应产生。此反应中的锂来自最初旨在用于电荷转移目的的一些锂离子。随着形成SEI，这些锂离子变成惰性SEI层的一部分，并且变得不可逆，即在充电/放电期间这些正离子不再能够在阳极与阴极之间来回穿梭。因此，希望使用最少量的锂来形成有效的SEI层。除了SEI形成之外，不可逆容量损失Q_ir还可以归因于由电解质/溶剂共插层和其他副反应引起的石墨膨化。