[发明专利]在能量存储装置中使用的异质纳米结构材料及其制造方法

说明书

相关申请

本申请要求2011年10月31日提交的美国临时申请第61/553602号的优先权权益，通过引用将其全部内容并入本文。

政府支持声明

本发明在国家科学基金会(National Science Foundation)授予的合同号DMR-1055762下由政府支持完成。政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本文公开的实施方案涉及在能量存储装置中使用的异质纳米结构材料，更具体地，涉及用作电池电极的异质纳米结构材料。

背景技术

锂离子电池是一种可再充电电池，其中，在放电过程中锂离子从负极(阳极)向正极(阴极)移动，而在充电过程中从阴极向阳极移动。锂离子电池由于高的能量-重量比、没有记忆效应以及在不使用时慢的自放电，所以常用在便携式消费性电子产品中。除了消费性电子产品，锂离子电池由于其高能量密度越来越多地用在国防、汽车和航空应用中。商业上，锂离子电池的阳极最常用的材料是石墨。阴极通常是以下三种材料中之一：层状氧化物(例如，锂钴氧化物)、基于聚阴离子的一种(例如磷酸铁锂)或尖晶石(例如锂锰氧化物)，但是使用过如TiS₂(二硫化钛)的材料。根据阳极、阴极和电解液的材料的选择，锂离子电池的电压、容量、寿命和安全性可显著改变。

对锂离子电池的改进集中在几个方面，并且常涉及纳米技术和微观结构的进步。技术改进包括，但不限于：通过改变阳极和阴极中使用的材料的组成以及增加电极的有效表面积和改变电解液中使用的材料和/或其组合来增加循环寿命和性能(降低内电阻和增加输出功率)；通过改进结构以引入更多活性的材料来改进容量；以及改进锂离子电池的安全性。

发明内容

本文公开了用作电池电极的异质纳米结构材料及其制造方法。

根据本文公开的一些方面，提供了异质纳米结构材料，其包括：硅化物纳米平台(nanoplatform)，设置在所述硅化物纳米平台上并且与所述硅化物纳米平台电连通的离子主体纳米颗粒(ionic host nanoparticle)，以及设置在所述硅化物纳米平台上的在所述离子主体纳米颗粒之间的保护涂层。

根据本文公开的一些方面，提供了异质纳米结构材料，其包括多个连接并隔开的纳米梁(nanobeam)，所述纳米梁包括硅化物芯、形成在所述硅化物芯上的离子主体纳米颗粒、以及形成在所述硅化物芯上的在所述离子主体纳米颗粒之间的保护涂层。

根据本文公开的一些方面，提供了用于锂电池的电极，其包括：形成在衬底上的硅化物纳米平台，设置在所述硅化物纳米平台上并且与所述硅化物纳米平台电连通的离子主体纳米颗粒，以及设置在所述硅化物纳米平台上的在所述离子主体纳米颗粒之间的保护涂层。在一些实施方案中，所述纳米平台包括以约90度角相连在一起的多个连接并隔开的纳米梁。在一些实施方案中，本公开的电极包括硅化钛纳米平台，其具有促进电荷传输的功能；钛掺杂的五氧化二钒纳米颗粒，其起活性组分的作用以储存和释放锂离子(Li⁺)；以及二氧化硅保护涂层，其具有防止Li⁺与硅化物纳米平台反应的功能。

在本公开的一些方面中，提供了制造异质纳米结构材料的方法，其包括：形成二维硅化物纳米网(nanonet)，其包括多个连接并隔开的纳米梁；在所述硅化物纳米网的表面上沉积离子主体材料的前体；形成在所述硅化物纳米网的表面上的离子主体材料纳米颗粒以及在所述纳米颗粒之间的保护涂层。

附图说明

将参考附图进一步解释本文公开的实施方案，其中，在全部多个图中，相同的结构用相同的数字表示。所示图不一定是按比例的，相反，重点通常放在说明本文公开的实施方案的原理。

图1A-1D是本公开的异质纳米结构的示意图。

图2示出了CVD系统，其可用在制造本公开的异质纳米结构的方法的一些实施方案中。

图3A和图3B给出了使用本公开的异质纳米结构的电极300的实施方案的示意图。

图3C提供了本公开的一个实施方案的存储装置的示意图。

图4A、图4B和图4C给出了本公开的实施方案的TiSi₂/V₂O₅异质纳米结构的电子显微图。

图5A-5E总结了本公开的实施方案的TiSi₂/V₂O₅异质纳米结构的充电和放电行为。