用于鋰電池的大容量陽極的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于鋰電池的大容量陽極的方法和裝置
[0001]本申請要求于2013年3月14日提交的題為“用于鋰電池的大容量電極的方法和裝置(METHODS AND APPARATUS FOR HIGH CAPACITY ANODES FOR LITHIUM BATTERIES) ”的美國專利申請13/827,980的優(yōu)先權(quán)(代理人案號為SD-MXA-457)，為所有目的將其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
[0002]本申請還要求于2013年3月14日提交的題為“用于鋰電池的大容量電極的方法和裝置(METHODS AND APPARATUS FOR HIGH CAPACITY ANODES FOR LITHIUM BATTERIES) ”的美國專利申請13/828，301的優(yōu)先權(quán)(代理人案號為SD-MXA-457*B)，為所有目的將其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
[0003]背景
[0004]本發(fā)明涉及電池的電極。更特別地，本發(fā)明涉及用于鋰電池的大容量陽極的方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在本發(fā)明的第一方面中，提供一種電化學(xué)鋰電池單元的電極。該電極包括體材料，其具有大致分散在整個(gè)該體材料中的多個(gè)空隙。該體材料是硅。
[0006]在本發(fā)明的第二方面中，提供一種形成電化學(xué)鋰電池單元的電極的方法。該方法包括:提供空心硅球，提供硅納米點(diǎn)，混合該硅球和該納米點(diǎn)以形成復(fù)合混合物，模塑該復(fù)合混合物為預(yù)定的形狀，加熱該模塑的復(fù)合混合物以熔化該硅納米點(diǎn)而不熔化該硅球，以及冷卻該模塑的復(fù)合混合物以固化該熔化的硅。
[0007]在本發(fā)明的第三方面中，提供一種電化學(xué)鋰電池單元的電極。該電池包括多個(gè)硅片，每個(gè)硅片包括多個(gè)孔，每個(gè)孔貫穿全部或部分硅片的厚度。
[0008]在本發(fā)明的第四方面中，提供一種提供電化學(xué)鋰電池單元的電極的方法。該方法包括:提供多個(gè)硅片，以及在該硅片中形成多個(gè)孔，每個(gè)孔貫穿全部或部分硅片的厚度。
[0009]本發(fā)明的其它特征和方面通過下述的詳細(xì)說明、附加的權(quán)利要求和隨附的附圖將變得更加明顯。
【附圖說明】
[0010]本發(fā)明的特征通過下述詳細(xì)說明并結(jié)合考慮下述附圖可變得更加清晰易懂，附圖中相同的附圖標(biāo)記始終代表相同的元件，在附圖中:
[0011]圖1A-1D示出了根據(jù)本發(fā)明的示例陽極的多個(gè)視圖；
[0012]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的形成陽極的示例裝置的橫截面圖；
[0013]圖3示出了使用圖2的裝置形成的陽極的橫截面圖；
[0014]圖4A-4C示出了在充電過程期間的圖3的陽極的橫截面圖；
[0015]圖5A-5C不出了根據(jù)本發(fā)明的不例娃片；
[0016]圖6A-6D不出了根據(jù)本發(fā)明的不例娃陽極兀件的多個(gè)視圖，其包含圖5A-5C的娃片的堆疊體；
[0017]圖7A-7B示出了在充電過程期間的圖6A的硅陽極元件的視圖；
[0018]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的可以與硅陽極元件一起使用的示例電池單元容器；
[0019]圖9A-9F示出了根據(jù)本發(fā)明的示例陽極元件容器的多個(gè)視圖；以及
[0020]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的示例電池單元的橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]鋰離子電池目前使用于多種多樣的應(yīng)用中，包括便攜式電子設(shè)備，例如筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)，以及運(yùn)輸設(shè)備，例如電動(dòng)車和商用飛機(jī)。實(shí)際上，在化學(xué)和電化學(xué)能量存儲系統(tǒng)中，鋰離子電池具有最高的比能和能量密度。
[0022]鋰離子電池典型地包括負(fù)電極(這里稱為“陽極”)、正電極(這里稱為“陰極”)、以及陽極和陰極之間的電解質(zhì)層。特別地，鋰離子電池典型地包括由碳制成的陽極、由金屬氧化物制成的陰極、以及包括有機(jī)溶劑中的鋰鹽的電解質(zhì)。鋰離子電池的電存儲容量受限于陽極中可保持的鋰的數(shù)量。硅具有比碳大得多的容量。因此包括硅陽極的鋰離子電池可比如今使用的通常的碳陽極電池具有更大的存儲容量。
[0023]不幸地，當(dāng)硅陽極在充電期間吸收帶正電荷的鋰原子時(shí)會膨脹，而在放電期間由硅中抽取鋰時(shí)會收縮。這種膨脹/收縮周期典型地導(dǎo)致硅(通常為粒子或薄膜形態(tài))粉碎，降低電池的性能。
[0024]另外，在若干充電和放電周期后，硅陽極的一部分可能表現(xiàn)為充電能力下降或變得有缺陷，而硅陽極的剩余部分功能正常。舉例來說，當(dāng)硅陽極被鋰化后，硅陽極在其表面形成固體電解質(zhì)界面(solid-electrolyte interphase，“SEI”)。SEI由溶劑和電解質(zhì)鹽形成，電解質(zhì)鹽被電化學(xué)還原為硅表面上的低聚物和無機(jī)晶體。SEI成為電解質(zhì)溶液和陽極之間的屏障，并降低電池的存儲容量。因此，雖然SEI形成在硅陽極的單一表面上，整個(gè)硅陽極都必須被移除和替換，這增加了成本和浪費(fèi)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法試圖克服與硅陽極相關(guān)的這些問題。特別地，在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法包括或提供具有多孔結(jié)構(gòu)的硅陽極，多孔結(jié)構(gòu)可以允許硅陽極在充電和放電期間膨脹和收縮。
[0026]另外，在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法包括或提供由多個(gè)硅陽極元件制成的娃陽極。如果SEI形成在其中一個(gè)娃陽極元件上(或其中一個(gè)娃陽極元件具有缺陷)，該硅元件可以被移除和替換而無需替換整個(gè)硅陽極。
[0027]參照圖1A-1D，其示出了根據(jù)本發(fā)明的示例陽極10。陽極10包括體材料12，其具有大致分散在整個(gè)該體材料中12中的孔或空隙14。體材料12可以是硅(“Si”)、鋁(“Al”)、鍺(“Ge”)、錫(“Sn”)、鉛(“Pb”)、銻(“Sb”)、鎂(“Mg”)、銅(“Cu”)、鎳(“Ni”)或者其合金或混合物，硅與下列元素的合金，例如Sn、N1、Cu、Ge、鐵(“Fe”)、鈷(“Co”)、錳(“Mn”)、鋅(“Zn”)、銦(“In”)、銀(“Ag”)、鈦(“Ti”)、鉍(“Bi”)、銻(“Sb”)和鉻(“Cr”)，硅氧化物和碳化物，合金，例如Cu — Sn、Sb — Sn，以及金屬氧化物例如氧化鋅(SnO2)。也可以使用其他陽極材料作為體材料12。
[0028]為簡單起見，余下的討論所描述的陽極10包括由硅構(gòu)成的體材料12 (這里稱為“硅12”)。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是，示例實(shí)施例的描述也可以由其它陽極材料構(gòu)成，例如上文所描述的材料。
[0029]陽極10可以具有大約2cm至大約30cm之間的長度，大約2cm至大約30cm之間的寬度，以及大約1mm至大約1cm之間的厚度，但也可以使用其它的尺寸。另外，雖然陽極10被描繪為長方柱，根據(jù)本發(fā)明的陽極可以具有其它形狀，例如三角柱、六方柱、多面體、圓柱體、圓錐體、球體和其它合適的形狀。
[0030]空隙14可以具有大約1nm至大約1mm之間的直徑。另外，雖然空隙14被描繪為具有球形，空隙14也可以具有其它形狀，例如長方形、三角形、六邊形、多面體形、圓柱形、圓錐形以及其它合適的形狀，具有任何多種不同的形狀。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是空隙14可以包括多種不同的形狀和尺寸，且可以使用其它的尺寸。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，陽極10容納于剛性容器中(未在圖1A-1D中示出)，剛性容器在鋰離子電池單元充電期間大致上防止硅12向周圍膨脹。作為替代的是，根據(jù)本發(fā)明，在充電和放電期間發(fā)生在硅12中的體積膨脹和收縮被大致上限制于空隙14中。
[0032]例如，圖1C示出了處于放電狀態(tài)的陽極10的透視圖，其中鋰沒有被插入硅12中。當(dāng)陽極10充電時(shí)，鋰離子滲入硅12，其導(dǎo)致陽極12膨脹。然而，由于陽極10容納于剛性容器中，硅12被大致上防止向外膨脹。作為替代的是，如圖1D所示，當(dāng)鋰被插入硅12中時(shí)，空隙14被壓