[发明专利]高容量电极

说明书

本申请是申请日为2009年2月25日、申请号为200980106188.5的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求对2008年2月25日提交的美国专利申请12/392,525以及2008年2月25日提交的美国临时专利申请61/067,018和2008年6月02日提交的61/130,679的优先权和权益。通过引用将上述申请的公开内容包含于本文中。

技术领域

本发明涉及电池组技术领域。

背景技术

电池组/燃料电池(电池组)的四个基本设计参数包括能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。能量密度是指电池组可以存储多少以兆焦耳/千克(MJ/kg)为单位测量的能量。功率密度(也称为功率与重量之比和比功率)是指每单位质量存储的能量可以多快地递送并且以千瓦特/千克(W/kg)为单位来测量。循环寿命是指电池组的电荷容量比对充电/放电循环次数。通常，越大的循环寿命越有用。针对电池组的安全性考虑包括可能对人或者财产有害的过程，例如有毒化学物释放和变得过热至燃点。

图1图示了现有技术的锂离子蓄(可再充电)电池组/电池100的横截面。蓄电池组/电池100包括阳极120、电解质140、分隔体130、电解质140和阴极110。在一些情况下，电池组阳极120包括石墨。将石墨用于阳极120的原因包括Li离子嵌入相对容易和石墨成本低。可选地，阳极120包括向阳极的体(宏观)衬底直接施用的硅。使用硅的原因在于硅可以比石墨嵌入多大约十倍的Li离子。遗憾的是，硅通常在完全嵌入Li离子时膨胀400％或者更多，这可能引起硅破裂并且明显危及硅到阳极120的粘合性、因此减少寿命。

在蓄电池组/电池100之间的分隔体130包括有孔膜。在一些实施例中，有孔膜是微孔聚烯烃膜。微孔聚烯烃未参与电池内部的反应。分隔体130通常约50微米厚并且包括孔135。孔135的尺寸的典型平均值约为2.0微米或者更大的规格。

蓄电池组/电池100的阴极110一般为三种类型。这三种类型包括分层氧化物(比如LiCoO₂、LiMnO₂或者LiNiO₂)、聚阴离子(比如磷酸铁锂)或者尖晶石(比如氧化锰)。用于阴极110的材料通常是体材料或者体沉积/生长的膜。遗憾的是，由于这些材料的宏观性质，在阴极110的体材料中的离子扩散在充电和放电循环期间限制氧化和还原速率。离子的不良扩散速率限制总功率密度。阴极可以电耦合到电接触点150A以便从电池组/电池100汲取电流。阳极可以电耦合到电接触点150B以便从电池组/电池100汲取电流。

在蓄电池组/电池100中的电解质140可以是溶解在诸如LiClO₄、LiPF₆、LiBF₄等溶剂中的盐。

发明内容

本发明的各种实施例包括一种系统，该系统包括：电极，设置于电解质的第一区域中并且包括衬底、附着到衬底的多个支撑丝和附着到支撑丝并且配置成在吸收离子时体积膨胀至少百分之五的离子吸收材料；分隔体，配置成分隔电解质的第一区域和第二区域；以及阴极，设置于电解质的第二区域中，该阴极、阳极和分隔体被配置成作为可再充电电池组工作。

本发明的各种实施例包括一种电极，该电极包括：传导衬底；附着到该衬底的多个支撑丝，这些支撑丝包括碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)或者纳米线(NW)；以及离子吸收材料，附着到一些但非所有支撑丝并且配置成在吸收离子时体积膨胀至少五倍。

本发明的各种实施例包括一种方法，该方法包括：接收传导衬底；形成耦合到传导衬底的多个支撑丝，这些支撑丝具有至少10：1的长径比(长度/宽度)；并且用离子吸收材料涂覆该多个支撑丝以形成电极，该离子吸收材料具有比支撑丝大至少十倍的离子吸收容量。

附图说明

图1图示了现有技术的可再充电电池组的横截面。

图2A图示了根据本发明各种实施例的电极的横截面。

图2B是图示了根据本发明各种实施例的图2A的种子(seed)层的细节的横截面。

图2C是根据本发明各种实施例的图2A的电极延伸的部分的横截面，该横截面图示了在支撑丝与嵌入层之间的下层以及封装嵌入层的上层。

图3是根据本发明各种实施例的图2的电极的横截面，该横截面图示了图2A的支撑丝的细节。

图4A图示了根据本发明各种实施例的替代电极的横截面。