[发明专利]自支撑活性材料/碳纳米材料网络

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年6月30日提交的美国申请序列号62/019,056的优先权，所述申请以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及锂离子电池的轻量和高功率阴极。

背景技术

自从索尼在20世纪90年代初将第一个锂离子电池商业化以来，锂离子电池领域已经取得了进展。在我们的日常生活中，锂离子电池现在广泛用作电源和能量存储装置，尤其是在便携式电子设备中。尽管锂离子电池迄今取得了巨大的成功，但是诸如超薄且超轻型装置的新一代电子产品对电池性能提出了越来越高的要求。此外，电动车辆、混合动力电动车辆和插电式混合动力电动车辆的发展也受益于电池性能的进一步提高。电池技术的创新可满足对更高功率/能量密度、更好的倍率性能和更长的循环寿命的不断增长的需求。较长的循环寿命可允许电池耐受更多的充电/放电循环。

电池的能量密度可表示为∫₀^QV(q)dq/wt，其中q是电子电荷的状态，V(q)是在电子电荷的状态q下的电压，Q是在电池循环期间输送的电子电荷的总量，并且wt是电极的重量。因此，可以三种方式实现电池的能量密度的提高：增加电压、增加容量或减少重量。使用高电压阴极是增加锂离子电池的电压的有效方式，因为阳极的工作电压几乎达到锂金属的工作电位。锂离子电池通常在低于4.2V的电压下工作。可在4.3V以上工作的阴极可被视为高电压阴极。

在三电极电化学电池(即，对电极、参比电极和工作电极)中，对电极和参比电极可能是不同的。参比电极确定了电势，相对于所述电势可测量其他电位。对电极是在期望电流流动的反应中使用的电极。当锂金属充当对电极和参比电极两者时，锂金属的电位取为0。目前石墨用作阳极，并且它相对Li金属在0.2V下工作。

通过用尖晶石LiMn₂0₄结构中的Ni取代Mn的一部分，工作的氧化还原对变为Ni²⁺/Ni³⁺和Ni³⁺/Ni⁴⁺而不是Mn³⁺/Mn⁴⁺。来自Ni的双氧化还原对由于Ni 3d电子的结合能增加而使LiNi_0.5Mn_1.5O₄的工作电压增加到4.7V，据报道所述Ni 3d电子比Mn 3d e_g电子高0.5eV。在高电压阴极材料中，LiNi_0.5Mn_1.5O₄被视为最有希望的候选物之一，因为此材料的氧化还原化学成分涉及双氧化还原对(Ni²⁺/Ni³⁺和Ni³⁺/Ni⁴⁺)，其中可获得相对高的容量。一个氧化还原对意指每个离子可输送一个电子，因此双氧化还原对允许每个Ni离子输送两个电子，从而导致更高的容量。与仅具有一个氧化还原对的一些其他材料相比，使用双氧化还原对的材料可具有更高的容量。在4.7V的高工作电压和146.7mAh/g的理论容量的情况下，LiNi_0.5Mn_1.5O₄可提供分别比传统阴极材料LiCo0₂和LiFeP0₄高20％和30％的能量密度。

减少电池的重量是提高能量密度的另一种方式。电池电极可被设计成更换或甚至消除常规电池电极结构中使用的粘合剂或集电器。更换粘合剂或集电器可涉及使用可充当电池中的粘合剂或集电器的其他材料，以使得电池中不需要包括传统的粘合剂和集电器。当不再需要传统的粘合剂或集电器时，可将它们从电池中消除。例如，当电极的结构避免使用单独的粘合剂或集电器时。

这些设计促进了通过轻量电极开发高能量密度锂离子电池的新趋势。在常规的系统中，首先将电极中的活性材料与导电剂和粘合剂混合，并且随后将其涂覆到金属集电器上。虽然那些添加剂、粘合剂和集电器不会增加电池容量，但是它们可形成电池的总重量的大部分。即使碳纤维或碳布可更换集电器以减少电池的重量并增强柔性，但是来自导电剂和粘合剂的重量仍增加了电池的重量。碳布是由碳纤维制成的布，并且其不是传统的织物。

此外，活性材料在碳纤维或碳布上的生长偏离了活性材料合成的商业实践，并且可能难以扩大规模。

发明内容