[发明专利]锂电池稳定阳极及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年2月9日提交的美国专利申请13/369,746的优先权，该美国专利申请的内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明一般涉及电池，更具体的涉及可充电锂电池。尤其是，本发明涉及用于可充电锂电池系统的稳定碳基阳极。

发明背景

使用锂电池的应用正快速增长。然而，循环寿命问题，循环寿命是电池可能经历的充/放电循环数，以及使用寿命(calendar life)问题，即电池系统工作的时间期间，限制了锂电池在高能应用例如复合和完全电动车辆应用中的使用。在许多情况下，锂电池使用碳基阳极，特别是石墨基阳极；由于这些材料在它们的工作寿命期间的剥落和其他物理分解，这些阳极可能是并入了它们的锂电池的循环寿命和使用寿命降低的重要因素。

为了本公开内容的目的，当指一个电化学电池时，术语“电池组(batteries)”和“电池(cells)”将可交换的使用，虽然术语“电池组(battery)”也可被用来指多个电互连的电池。普通锂电池包括阳极和阴极，阳极和阴极被放置在大量非水性电解质材料内，典型地，非水性电解质材料包括一种或多种锂盐和溶剂，例如有机碳酸酯材料。在多数情况下，阳极和阴极之间插入有隔离材料体。在电池充电期间，锂离子从阴极转移至阳极并且插嵌其中。在电池放电期间，该过程逆转。在电池首次充电期间，阳极表面能够与锂离子和电解质成分反应而形成一层材料，该层材料被称为“固体电解质界面”(SEI)层。应该注意的是，在一些情况下，该SEI层也被称为“固体电解质相间”层。如此形成的SEI材料是电绝缘的但传导锂离子。该反应是可逆的并且消耗电池的一些锂容量。

因为在它们充电期间产生的SEI层可能引起碳表面剥落，出现了与石墨和其他碳基阳极相关的具体问题。这种剥落降低碳体的完整性，从而缩短了它的循环和使用寿命。此外，这样的降低也移除了先前形成的SEI层，这使得在随后的充电循环中需要重新形成，从而消耗锂并进一步降低了电池的充电能力。

应当理解，在碳基阳极上稳定SEI层将大大提高它们的循环和使用寿命。在一些情况下，现有技术已经注意到使用复合材料例如两相材料、涂覆颗粒、纳米级复合材料、三维微结构和类似物等，试图去稳定碳基阳极材料。这样的方法实施复杂并且昂贵，并且商业成功有限。

考虑到稳定碳基阳极的问题，现有技术也研究了替代的非碳基阳极结构。例如，硅能够插嵌大量的锂，然而这样做时体积经历非常大的变化，这将导致阳极结构的粉碎和分解。本领域已通过利用包含缓冲材料的复合和/或多相结构适应这些体积变化。这些结构难以实施，同时也降低能够被插嵌的锂的量。在另一个方法中，硅薄膜被提出作为锂电池电极的活性成分。虽然硅薄膜不易于粉碎，但硅薄膜含的硅的实际量非常小，因此它们的每单位面积充电量相应地小。因此，本领域仍然在用心寻找用于稳定碳基阳极的表面(和相关的SEI层)的方法和材料。

在下文将详细解释，本发明提供了用于稳定锂电池的碳基，特别是石墨基阳极的方法及结构。本发明的方法和材料可以利用成熟的、大容量薄膜沉积技术实施，以便生产具有SEI层的阳极结构，该SEI层不仅被稳定，而且被优化以便提供最大的性能。通过下面的附图、说明和讨论，本发明的这些和其他优点将明显。

发明简述

公开了用于锂电池的阳极，其包括碳体，例如石墨和类似物。阳极进一步包括第四族元素或含第四族元素的物质的层，该层被放置在碳体的电解质接触面上。在电池首次充电期间，这个第四族元素或含第四族元素的物质的层参与SEI层的形成，并且如此产生的层稳定下面的碳，抵抗物理分解。

在具体情况下，第四族元素或含第四族元素的物质可通过利用薄膜技术沉积，或者通过辉光放电化学沉积，或者通过DC或RF溅射方法物理沉积。第四族元素或含第四族元素的物质可以是无定形的、纳米晶或多晶。典型地，第四族元素或含第四族元素的物质的层的厚度在100-1500埃的范围内。在一些具体的情况下，第四族元素是硅。

进一步公开了利用本发明制造阳极和锂电池的方法。在这一点，第四族元素或含第四族元素的物质体被放置在阳极的碳部分上，然后该阳极被并入具有阴极和电解质的锂电池组电池中。该电池在首次充电模式下工作以便使锂离子插嵌入碳内，并且这种充电使得上面放置有第四族元素或含第四族元素的物质的阳极的电化学活性表面与电解质和锂离子反应，以形成本发明的SEI层。

附图简述

图1是处于制造后初始状态的本发明阳极结构的横截面视图；和