用于锂电池的大容量阳极的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于锂电池的大容量阳极的方法和装置
[0001]本申请要求于2013年3月14日提交的题为“用于锂电池的大容量电极的方法和装置(METHODS AND APPARATUS FOR HIGH CAPACITY ANODES FOR LITHIUM BATTERIES) ”的美国专利申请13/827,980的优先权(代理人案号为SD-MXA-457)，为所有目的将其全部内容通过引用结合于此。
[0002]本申请还要求于2013年3月14日提交的题为“用于锂电池的大容量电极的方法和装置(METHODS AND APPARATUS FOR HIGH CAPACITY ANODES FOR LITHIUM BATTERIES) ”的美国专利申请13/828，301的优先权(代理人案号为SD-MXA-457*B)，为所有目的将其全部内容通过引用结合于此。
[0003]背景
[0004]本发明涉及电池的电极。更特别地，本发明涉及用于锂电池的大容量阳极的方法和装置。
【发明内容】
[0005]在本发明的第一方面中，提供一种电化学锂电池单元的电极。该电极包括体材料，其具有大致分散在整个该体材料中的多个空隙。该体材料是硅。
[0006]在本发明的第二方面中，提供一种形成电化学锂电池单元的电极的方法。该方法包括:提供空心硅球，提供硅纳米点，混合该硅球和该纳米点以形成复合混合物，模塑该复合混合物为预定的形状，加热该模塑的复合混合物以熔化该硅纳米点而不熔化该硅球，以及冷却该模塑的复合混合物以固化该熔化的硅。
[0007]在本发明的第三方面中，提供一种电化学锂电池单元的电极。该电池包括多个硅片，每个硅片包括多个孔，每个孔贯穿全部或部分硅片的厚度。
[0008]在本发明的第四方面中，提供一种提供电化学锂电池单元的电极的方法。该方法包括:提供多个硅片，以及在该硅片中形成多个孔，每个孔贯穿全部或部分硅片的厚度。
[0009]本发明的其它特征和方面通过下述的详细说明、附加的权利要求和随附的附图将变得更加明显。
【附图说明】
[0010]本发明的特征通过下述详细说明并结合考虑下述附图可变得更加清晰易懂，附图中相同的附图标记始终代表相同的元件，在附图中:
[0011]图1A-1D示出了根据本发明的示例阳极的多个视图；
[0012]图2示出了根据本发明的形成阳极的示例装置的横截面图；
[0013]图3示出了使用图2的装置形成的阳极的横截面图；
[0014]图4A-4C示出了在充电过程期间的图3的阳极的横截面图；
[0015]图5A-5C不出了根据本发明的不例娃片；
[0016]图6A-6D不出了根据本发明的不例娃阳极兀件的多个视图，其包含图5A-5C的娃片的堆叠体；
[0017]图7A-7B示出了在充电过程期间的图6A的硅阳极元件的视图；
[0018]图8示出了根据本发明的可以与硅阳极元件一起使用的示例电池单元容器；
[0019]图9A-9F示出了根据本发明的示例阳极元件容器的多个视图；以及
[0020]图10示出了根据本发明的示例电池单元的横截面图。
【具体实施方式】
[0021]锂离子电池目前使用于多种多样的应用中，包括便携式电子设备，例如笔记本电脑、平板电脑和手机，以及运输设备，例如电动车和商用飞机。实际上，在化学和电化学能量存储系统中，锂离子电池具有最高的比能和能量密度。
[0022]锂离子电池典型地包括负电极(这里称为“阳极”)、正电极(这里称为“阴极”)、以及阳极和阴极之间的电解质层。特别地，锂离子电池典型地包括由碳制成的阳极、由金属氧化物制成的阴极、以及包括有机溶剂中的锂盐的电解质。锂离子电池的电存储容量受限于阳极中可保持的锂的数量。硅具有比碳大得多的容量。因此包括硅阳极的锂离子电池可比如今使用的通常的碳阳极电池具有更大的存储容量。
[0023]不幸地，当硅阳极在充电期间吸收带正电荷的锂原子时会膨胀，而在放电期间由硅中抽取锂时会收缩。这种膨胀/收缩周期典型地导致硅(通常为粒子或薄膜形态)粉碎，降低电池的性能。
[0024]另外，在若干充电和放电周期后，硅阳极的一部分可能表现为充电能力下降或变得有缺陷，而硅阳极的剩余部分功能正常。举例来说，当硅阳极被锂化后，硅阳极在其表面形成固体电解质界面(solid-electrolyte interphase，“SEI”)。SEI由溶剂和电解质盐形成，电解质盐被电化学还原为硅表面上的低聚物和无机晶体。SEI成为电解质溶液和阳极之间的屏障，并降低电池的存储容量。因此，虽然SEI形成在硅阳极的单一表面上，整个硅阳极都必须被移除和替换，这增加了成本和浪费。
[0025]根据本发明的装置和方法试图克服与硅阳极相关的这些问题。特别地，在一些实施例中，根据本发明的装置和方法包括或提供具有多孔结构的硅阳极，多孔结构可以允许硅阳极在充电和放电期间膨胀和收缩。
[0026]另外，在一些实施例中，根据本发明的装置和方法包括或提供由多个硅阳极元件制成的娃阳极。如果SEI形成在其中一个娃阳极元件上(或其中一个娃阳极元件具有缺陷)，该硅元件可以被移除和替换而无需替换整个硅阳极。
[0027]参照图1A-1D，其示出了根据本发明的示例阳极10。阳极10包括体材料12，其具有大致分散在整个该体材料中12中的孔或空隙14。体材料12可以是硅(“Si”)、铝(“Al”)、锗(“Ge”)、锡(“Sn”)、铅(“Pb”)、锑(“Sb”)、镁(“Mg”)、铜(“Cu”)、镍(“Ni”)或者其合金或混合物，硅与下列元素的合金，例如Sn、N1、Cu、Ge、铁(“Fe”)、钴(“Co”)、锰(“Mn”)、锌(“Zn”)、铟(“In”)、银(“Ag”)、钛(“Ti”)、铋(“Bi”)、锑(“Sb”)和铬(“Cr”)，硅氧化物和碳化物，合金，例如Cu — Sn、Sb — Sn，以及金属氧化物例如氧化锌(SnO2)。也可以使用其他阳极材料作为体材料12。
[0028]为简单起见，余下的讨论所描述的阳极10包括由硅构成的体材料12 (这里称为“硅12”)。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，示例实施例的描述也可以由其它阳极材料构成，例如上文所描述的材料。
[0029]阳极10可以具有大约2cm至大约30cm之间的长度，大约2cm至大约30cm之间的宽度，以及大约1mm至大约1cm之间的厚度，但也可以使用其它的尺寸。另外，虽然阳极10被描绘为长方柱，根据本发明的阳极可以具有其它形状，例如三角柱、六方柱、多面体、圆柱体、圆锥体、球体和其它合适的形状。
[0030]空隙14可以具有大约1nm至大约1mm之间的直径。另外，虽然空隙14被描绘为具有球形，空隙14也可以具有其它形状，例如长方形、三角形、六边形、多面体形、圆柱形、圆锥形以及其它合适的形状，具有任何多种不同的形状。本领域普通技术人员可以理解的是空隙14可以包括多种不同的形状和尺寸，且可以使用其它的尺寸。
[0031]根据本发明，阳极10容纳于刚性容器中(未在图1A-1D中示出)，刚性容器在锂离子电池单元充电期间大致上防止硅12向周围膨胀。作为替代的是，根据本发明，在充电和放电期间发生在硅12中的体积膨胀和收缩被大致上限制于空隙14中。
[0032]例如，图1C示出了处于放电状态的阳极10的透视图，其中锂没有被插入硅12中。当阳极10充电时，锂离子渗入硅12，其导致阳极12膨胀。然而，由于阳极10容纳于刚性容器中，硅12被大致上防止向外膨胀。作为替代的是，如图1D所示，当锂被插入硅12中时，空隙14被压