[发明专利]锂电池涂覆电极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年2月18日提交的美国临时专利申请序列号61/941,077的权益，其整体并入本文中作为参考。

背景技术

二次，或可充电，锂离子和锂-硫电池通常用在许多固定和便携式设备中，例如在消费电子产品，汽车，和航空航天工业中遇到的那些设备。出于包括相对高的能量密度，相比于其他类型的可充电电池通常不出现任何记忆效应，相对低的内电阻，及在不使用时低的自放电率的多种原因，锂类电池已经得到普及。锂电池在其有效寿命期间经受反复功率循环的能力使其成为有吸引力且可靠的电源。

发明内容

涂覆电极的实例包括负极和粘附到该负极的表面上的碳涂层。所述负极包括选自锂、硅、氧化硅、硅合金、石墨、锗、锡、锑、或金属氧化物的活性物质；导电填料；和聚合物粘合剂。所述碳涂层包括从100％(100∶0)至0％(0∶100)的百分比比率的sp²碳：sp³碳。

本发明涉及以下(1)-(13)：

(1).一种涂覆电极，包括：

负极，包括：

活性物质，选自锂、硅、氧化硅、硅合金、石墨、锗、锡、锑、或金属氧化物；

导电填料；和

聚合物粘合剂；和

粘附到该负极的表面上的碳涂层，所述碳涂层包括从100％(100∶0)至0％(0∶100)的百分比比率的sp²碳：sp³碳。

(2).如(1)所限定的涂覆电极，其中所述碳涂层具有从约5GPa到约200GPa的杨氏模量，从约1GPA至约20GPa的硬度，以及约2.23gcm^-3的密度。

(3).如(1)所限定的涂覆电极，其中所述碳涂层具有从约1nm至约1μm的厚度。

(4).如(1)所限定的涂覆电极，进一步包括形成在所述碳涂层上的固体电解质界面(SEI)层。

(5).一种用于制造涂覆电极的方法，该方法包括：

将固体石墨靶同时暴露于等离子体处理和蒸发处理，从而在负极的表面上沉积碳涂层，该碳涂层具有从约100％(100∶0)至0％(0∶100)的百分比比率的sp²碳：sp³碳。

(6).如(5)限定的方法，其中采用脉冲激光沉积，阴极电弧沉积和激光电弧沉积的组合，等离子体暴露和激光电弧沉积的组合，等离子体暴露和电子束(e-束)暴露的组合，磁控溅射或等离子体增强的物理气相沉积来实现同时暴露。

(7).如(5)限定的方法，其中以从约48nm/分到约100nm/分的最大沉积速率沉积所述碳涂层。

(8).如(5)限定的方法，其中采用脉冲激光沉积完成所述同时暴露，并且其中所述脉冲激光沉积包括约1KHz至约10KHz的脉冲重复频率。

(9).一种锂基电池，包括：

如(1)的涂覆电极，其中所述碳涂层位于相邻于隔膜的第一表面；

包含活性材料的正极，正极位于相邻于隔膜的与第一表面相对的第二表面；以及

电解质溶液、所述隔膜、所述负极、和所述正极。

(10).如(9)限定的锂基电池，其中所述碳涂层具有从约1nm至约1μm的厚度。

(11).如(9)限定的锂基电池，其中所述涂覆电极还包括形成在所述碳涂层上并且位于所述碳涂层和所述隔膜之间的SEI层。

(12).如(9)限定的锂基电池，其中所述锂基电池是锂离子电池。

(13).如(9)限定的锂基电池，其中所述锂基电池是锂-硫电池。

附图的简要描述

通过参考以下详细描述和附图，本公开的实施例的特征和优点将变得明显，其中类似的附图标记对应于相似的，虽然也许不相同的，组件。为简洁起见，具有先前描述的功能的附图标记或特征可以或可不连同它们出现在其中的其它附图被描述。

图1是锂离子电池实例的立体示意图，其包括本文所公开的负极的实例；以及

图2是锂-硫电池的实例的示意性立体图，示出了充电和放电状态，该电池包括本文所公开的涂覆电极的实例；

图3示出本文所公开的碳涂层的实例的拉曼光谱；

图4A和4B是本文所公开的碳涂层的实例的扫描电子显微图像(SEM)；

图5是示例作为压缩的函数的本文中公开的碳涂层的不同实例的电阻率的曲线图；以及