[发明专利]用于蓄电池电极的核-壳高容量纳米线

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2009年5月27日提交的题为“Core-Shell High CapacityNanowires for Battery Electrodes”的美国临时专利申请61/181,637的权益，出于所有目的将其通过引用以全文并入本文。

技术领域

本发明整体上涉及电化学蓄电池部件和制备这样部件的方法，更具体的，涉及含有用于与电化学活性离子相互反应的核-壳高容量纳米线的蓄电池电极以及制备这样的电极和蓄电池的方法。

背景技术

存在对高容量可再充电蓄电池的需求。许多应用，例如航天、医学器件、便携式电子设备、汽车等，要求高的重量和/或体积容量的蓄电池。在该领域中，锂离子技术的发展提供了一些进步，但是仍非常需求更高的容量。通常，锂离子电池包括含有石墨粉末并具有仅约372mAh/g的理论容量的阳极。

硅是对于锂和其它电化学活性离子具有吸引力的插入材料。在锂离子电池中的硅的理论容量为约4200mAh/g。但是硅和许多其它高容量材料对于蓄电池应用的使用受到在活性离子的插入和移出期间这些材料的体积的显著变化(膨胀)的约束。例如，在锂化期间硅膨胀多达400％。这种程度的体积变化引起活性材料粉的粉化(pulverization)，在电极中的电连接的失去，以及蓄电池容量的衰减。此外，许多高容量材料例如硅具有差的导电性，并且经常要求特定设计的特征或可负面影响蓄电池容量的导电添加剂。总体来说，在蓄电池电极中需要改善应用的高容量活性材料，其能最小化上述缺点。

发明内容

提供了含有电化学活性材料的纳米结构，含有这些纳米结构的电化学蓄电池(例如锂离子蓄电池)的蓄电池电极，以及形成的纳米结构和蓄电池电极的方法。纳米结构包括导电核，含有活性材料的内壳，以及至少部分包覆内壳的外壳。内壳和外壳分别环绕地包覆核和内壳。可以使用具有至少约1000mAh/g的稳定容量的高容量活性材料。一些例子包括硅，锡和/或锗。外壳可配置成基本防止直接在内壳上形成固体电解质界面(SEI)层。导电核和/或外壳可以包括含碳材料。纳米结构用于形成蓄电池电极，其中纳米结构与电极的导电基材电子流通。

在一些实施方案中，用于蓄电池电极的纳米结构包括：沿纳米结构的长度提供电子导电性的导电核，包括高容量电化学活性材料的内壳，和至少部分包覆内壳并基本防止固体电解质界面(SEI)层在内壳上直接形成的外壳。至少内壳与导电核电子流通。在某些实施方案中，至少约10％的内壳未包覆有外壳。在某些实施方案中，纳米结构具有分支结构。纳米结构也可以具有位于其内壳和外壳之间的第三壳。

在某些实施方案中，活性材料具有至少约1000mAh/g的稳定电化学容量。活性材料可包括硅，锗和锡。活性材料可包括一种或多种掺杂剂。在相同或其它的实施方案中，活性材料包括非晶态硅，而导电核和/或外壳包括碳。外壳可以包括石墨、石墨烯、石墨氧化物、和/或金属氧化物。在某些实施方案中，导电核包括具有至少约50％的碳含量的含碳材料。在相同或其它的实施方案中，内壳提供纳米结构的全部电化学容量的至少约50％。

在某些实施方案中，纳米结构形成为长度至少约1毫米的纳米线。纳米结构可具有不大于约500纳米的直径。在某些实施方案中，纳米结构为纳米颗粒。在相同或其它的实施方案中，纳米结构具有厚度在约1纳米和100纳米之间的外壳。在某些实施方案中，导电核是中空的。例如，导电核可包括单壁碳纳米管(SWNT)和/或多壁碳纳米管(MWNT)。在某些实施方案中，纳米结构的空心区域与实心区域的平均比例是约0.01-10。

在某些实施方案中，用于电化学蓄电池的蓄电池电极包括导电基材和纳米结构。可用于蓄电池电极的纳米结构的多种特征如上所述。例如，纳米结构可具有：沿纳米结构的长度提供电子导电性的导电核，包括高容量电化学活性材料并与导电核电子流通的内壳，和至少部分包覆内壳的外壳。内壳可配置成基本防止固体电解质界面(SEI)在内壳上直接形成。活性材料可具有至少约1000mAh/g的容量。至少导电核和内壳可与导电基材电子流通。

在某些实施方案中，纳米结构的导电核，内壳和/或外壳与导电基材形成直接结合。例如，直接结合可包含硅化物。在某些实施方案中，外壳包括延伸越过导电基材的面向纳米结构的表面的至少一部分并且在纳米结构和导电基材之间形成直接结合的碳层。在一些实施方案中，蓄电池的电极包含弹性粘合剂。