[发明专利]用于沉积活性材料的模板电极结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年3月3日提交的题为“Electrochemical ActiveStructures Containing Silicides”的美国临时申请61/310,183的权益，出于所有目的将所述申请通过引用以全文并入本文。本申请是Cui等人在2009年5月7日提交的题为“ELECTRODE INCLUDINGNANOSTRUCTURES FOR RECHARGEABLE CELLS”的美国专利申请12/437,529的部分继续申请。

背景技术

对于高容量可充电蓄电池的需求强劲且每年都在增加。许多应用诸如航空和航天、卫生器材、便携式电子设备、和汽车应用都需要高重量容量和/或体积容量的电池。在这些领域中锂离子电极工艺提供了一些改善。然而，迄今为止，锂离子电池主要用石墨制造，石墨只有372mAh/g的理论容量。

硅、锗、锡和许多其它材料由于其高电化学容量而成为有吸引力的活性材料。例如，硅具有约4200mAh/g的理论容量，其对应于Li_4.4Si相。然而，这些材料材料中有许多尚未广泛用于商用的锂离子蓄电池。一个原因在于这些材料中的一些在循环过程中表现出显著的体积变化。例如，硅在被充电到其理论容量时膨胀达400%。这种程度的体积变化可以引起活性物质结构中的显著应力，引起破裂和粉碎、电极内的电连接和机械连接失效、以及容量减小。

常规的电极包括用于将活性材料保持在基材上的聚合物粘合剂。大多数的聚合物粘合剂的弹性不足以容纳一些高容量材料的大膨胀。结果，活性物质颗粒倾向于彼此分离以及与集流体分离。总的说来，对于使上述缺点最小化的、改善的高容量活性材料在蓄电池电极中的应用有所需求。

发明简述

本发明提供了电化学活性的电极材料、使用这种材料的电极、以及生产这种电极的方法的实例。电化学活性的电极材料可以包括包含金属硅化物的高表面积模板和沉积在所述模板上方的高容量活性材料层。所述模板可以用作活性材料的机械支撑体和/或活性材料与例如基材之间的电导体。由于模板的高的表面积，即使活性材料的薄层也能够提供足够的活性材料负载和相应的每表面积电极容量。因而，可以将活性材料层的厚度保持低于其破裂阈值，以保持其在蓄电池循环过程中的结构完整性。还可以特定地设置（profile）活性层的厚度和/或组成以减少基材界面附近的膨胀和保持该界面连接。

在某些实施方案中，用于锂离子电池的电化学活性的电极材料包括包含金属硅化物的纳米结构化的模板和涂覆所述纳米结构化模板的电化学活性材料层。电化学活性材料构造为在锂离子电池的循环过程中接受和释放锂离子。另外，所述纳米结构化模板可以促进去往和来自电化学活性材料的电流的传导。电化学活性的电极材料还可以包括在电化学活性材料层上方形成的壳。所述壳可以包括碳、铜、聚合物、硫化物、和/或金属氧化物。

纳米结构化的模板中的金属硅化物的实例包括硅化镍、硅化钴、硅化铜、硅化银、硅化铬、硅化钛、硅化铝、硅化锌、和硅化铁。在特定的实施方案中，金属硅化物包括至少一种选自Ni₂Si、NiSi、和NiSi₂的不同的硅化镍相。电化学活性材料可能是晶态硅、非晶硅、氧化硅、氧氮化硅、包含锡的材料、包含锗的材料、和包含碳的材料。电化学活性材料可具有至少约500mAh/g，或者更具体地为至少约1000mAh/g的理论锂化容量。具有这种容量的活性材料可被称为“高容量活性材料”。在某些实施方案中，电化学活性的电极材料可用于制造正电极。正极电化学活性材料的实例包括LiMO₂形式的各种活性组分，其中M表示平均氧化态为3的一种或多种离子。这些离子的实例包括钒(V)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、和镍(Ni)。非活性成分可以是Li₂M’O₃的形式，其中M’表示平均氧化态为4的一种或多种离子。这些离子的实例包括锰(Mn)、钛(Ti)、锆(Zr)、钌(Ru)、铼(Re)、和铂(Pt)。其它正极活性材料包括硫、硅酸锂铁(Li₂FeSiO₄)、六价铁钠氧化物(Na₂FeO₄)。