[发明专利]薄膜合金电极

说明书

技术领域

本发明提供适用于锂离子电化学电池的薄膜合金电极。

背景技术

锂离子电化学电池通常用于为便携式电子设备(如移动电话、个人电脑和个人娱乐模块)提供动力。锂离子电池目前开发用于电动车辆，因为它们能够提供高能量密度。锂离子电池技术的一些挑战是要开发这样的电池，其具有良好的热稳定性、循环性能，并且可以按合理的成本进行生产。

已经开发了用于锂离子电化学电池的负极(阳极)，它们包括某些主族金属及合金，如硅和锡。所选用的主族金属及合金可以按电化学的方式与锂可逆地形成合金，并且可以提供比碳负极材料(通常用作供电子设备用的锂离子负极材料)高得多的锂存储密度。

通常情况下，通过在适当的溶剂(如N-甲基吡咯烷酮，NMP)中分散这些金属或合金的细粉、导电稀释剂和聚合物粘结剂来制备或形成复合电极。然后可以将分散体涂在集电器(通常为铜或铝金属箔)上，而后在高温下干燥以除去溶剂。通常对所得到的复合电极进行机械压缩，以减少复合材料中的孔洞体积，并提高复合材料与集电器之间的电导率。

含硅或硅合金的复合材料可以储存大量的锂，因为已知硅以电化学方式与锂可逆地形成合金，并且每当量硅可储存的锂超过四当量。然而，插入四当量的锂也会产生大约差不多300％的体积变化。这种剧烈的体积变化可导致锂插入/脱插的可逆性变差，这是由于复合材料因膨胀而发生形态的变化，以及如果粘结剂不能适应体积变化而导致的集电器与复合材料之间的电导率损失。

需要用于具有高能量密度的锂离子电化学电池的电极。还需要电极具有高的热稳定性，并能够在许多次充电/放电循环中可逆地储存锂。还需要电极容易制造，并且成本相对较低。

发明内容

在一方面提供了包括薄箔的薄膜电极，所述薄箔包含多晶铝和至少一种另外的电化学活性组分。该至少一种另外的电化学活性组分在多晶铝内析离并形成沉淀、晶界或其组合，且其中该箔的厚度小于约500μm。该至少一种另外的电化学活性组分可以包含诸如铟、硅、镓、锡之类的元素或其组合。合金中另外的元素在室温下不溶于铝。

另一方面提供包括正极和负极的锂离子电化学电池，其中的负极包括薄箔，所述薄箔包含多晶铝和至少一种另外的电化学活性组分，其中该另外的电化学活性组分在多晶铝内析离并形成沉淀、晶界或其组合，且其中该箔的厚度小于约500μm。

在又一方面提供包括正极和负极的锂离子电化学电池，其中的负极基本上由薄箔构成，所述薄箔包含多晶铝和至少一种另外的电化学活性组分，其中该另外的电化学活性组分在多晶铝内析离并形成沉淀、晶界或其组合，且其中该箔的厚度小于约500μm。

在本申请中：

“电化学活性”是指可以与锂进行电化学反应或形成合金的材料；

“锂化”和“锂化反应”指将锂添加到电极材料的过程；

“充电”和“进行充电”指为电池提供电化学能量的过程；

“脱锂化”和“脱锂化反应”指将锂从电极材料中移除的过程；

“放电”和“进行放电”指从电池中移除电化学能量的过程，例如在使用电池进行所需的工作时；

“箔”是基本上为二维的合金，其中第三维(z方向)不到约500μm厚；

“晶界”是指多晶铝中相邻铝晶粒(颗粒)之间的区域，在其中分散着小量的一种或多种另外的元素；

“正极”是指在放电过程中发生电化学还原和锂化反应的电极(通常称为阴极)；且

“负极”是指放电过程中发生电化学氧化反应和脱锂化反应的电极(通常称为阳极)。

包括所提供的铝合金膜电极的锂离子电化学电池具有较长的循环寿命，潜在地能够实现高能量密度、高热稳定性，并且能够低成本地进行生产。

上述发明内容并非旨在描述本发明每种实施方式的每个公开的实施例。以下的附图说明和具体实施方式更具体地举例说明示例性实施例。

附图说明

图1是2325硬币电池的正极的比容量(mAh/g)与电池循环的关系图，进行比较的是含Al₉₉In₁负极的硬币电池和含对比负极的硬币电池。

图2是图1的Al₉₉In₁负极的亮场透射电子显微镜图。

图3是2325硬币电池的正极比容量(mAh/g)与电池循环的关系图，进行比较的是含Al₉₈Si₂负极的硬币电池和含对比负极的硬币电池。