[发明专利]阴极及固态储能装置

说明书

本申请是于2013年7月18日提交的申请号为201310302774.5发明名称为“用于电化学转换反应的纳米结构材料”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及电池系统。

背景技术

近年来，由于基于化石燃料的能源的短缺以及来自化石燃料消耗的不利环境影响，公共的和私有的部门都将大量宝贵的资源投入到清洁能源技术中。清洁能源技术的一个重要方面是储能，或者简单地说电池系统。在过去，开发和使用了许多电池类型，它们具有其各自的优点和缺点。由于锂材料的化学性质，包括高电荷密度，所以锂材料已经用在电池的多种部件中。例如，在可充电的锂离子电池中，放电过程中锂离子从负极移动到正极。在锂电池的基本运行中，转换材料经历与锂的转换反应，转换材料的性能是电池的一个重要方面。

发明内容

本公开的一个方面涉及阴极材料，其特征可以为具有大约20 nm或更小的中值特征尺寸的颗粒或纳米畴。这些颗粒或纳米畴包括(i)选自铁、钴、锰、铜、镍、铋及其合金的金属的颗粒或纳米畴，和(ii)锂的氟化物的颗粒或纳米畴。

在一些实施方案中，单个颗粒额外地包含金属的氟化物。在一些情况下，阴极材料额外地包含铁的氟化物，例如氟化铁。例如，金属可以是铁，颗粒或纳米畴进一步包含氟化铁。

在一些实施方案中，一些颗粒或纳米畴只含有金属，其他颗粒或纳米畴只含有锂的氟化物。在一些实施方案中，阴极材料的单个颗粒包含金属和锂的氟化物两者。在一个实例中，锂的氟化物包括氧氟化锂。

在一些实施方案中，阴极材料额外地包含(iii)导电添加剂。在一些情况下，导电添加剂是混合的离子-电子导体。在一些情况下，导电添加剂是锂离子导体。在一些实施方案中，锂离子导体是或者包含硫代-LiSICON、石榴石、锂的硫化物、FeS、FeS₂、铜的硫化物、钛的硫化物、Li₂S-P₂S₅、锂铁的硫化物、Li₂S-SiS₂、Li₂S-SiS₂-LiI、Li₂S-SiS₂-Al₂S₃、Li₂S-SiS₂-GeS₂、Li₂S-SiS₂-P₂S₅、Li₂S-P₂S₅、Li₂S-GeS₂-Ga₂S₃或Li₁₀GeP₂S₁₂。

在一些实施方案中，颗粒或纳米畴的中值特征尺寸是大约5nm或更小。在一些材料中，颗粒中的金属呈现为具有小于大约20nm的中值特征尺寸的金属纳米畴。在一些材料中，颗粒或纳米畴在大约1000nm³的体积内基本上是均匀的。

本公开的另一方面涉及用于阴极的玻璃态转换材料。这样的材料的特征可以为在小于1nm的尺寸下混合的金属、一种或更多种氧化性物质和还原性阳离子。另外，玻璃态转换材料在1000nm³的体积内基本上是均匀的。在一些实施方案中，阳离子包括锂、钠或镁。在一些实施方案中，玻璃态转换材料基本上不含体积大于125nm³的单一金属物质或氧化性物质的团块。

另一方面涉及阴极，其特征可以为以下特征：(a)集电体；和(b)与集电体电连通的电化学活性材料。电化学活性材料包含(i)金属组分，和(ii)在大约20nm或更小的距离尺寸上与金属组分混合的锂化合物组分。另外，当完全充电形成金属组分的化合物和锂化合物的阴离子时，电化学活性材料当利用锂离子以至少约200mA/g的速率放电时具有大约350mAh/g或者更大的可逆比容量。