[发明专利]用于锂或钠离子电池组的铋‑锑阳极

说明书

技术领域

本发明涉及用于可再充电的锂离子(Li⁺)或钠离子(Na⁺)电池组的铋(Bi)-锑(Sb)阳极、形成电化学活性Bi-Sb合金的方法，和含有这类阳极的可再充电电池组。

背景

可再充电(二次)锂离子电池组被广泛地用于诸如手机和笔记本电脑的消费者电子装置中，这部分是由于其高能量密度。可再充电锂离子电池组也可用于耗电量大的应用，例如电动车和电动工具。诸如能量电网存储(energy grid storage)的可再充电锂离子电池组的额外应用是可能的。

虽然可再充电钠离子电池组较不普遍，但其可用于许多与锂离子电池组相同的应用中。

可再充电电池组以两个电极(阳极和阴极)中的化学能的形式储存能量。通过电解质并通常还通过绝缘子在电池组内使阳极和阴极彼此电绝缘。绝缘子可渗透离子且允许它们在电池组内的电极之间通过。电子(e^-)通过外部电子回路移动。阳极和阴极通常包含化合物，可将锂离子和/或锂原子或钠离子和/或钠原子可逆地插入这些化合物中。电解质通常含有锂或钠盐，其溶解在有机液体中以生成锂离子或钠离子。电解质通常含有有机液体，如碳酸酯、醚、腈或亚砜。

对电池组进行放电时，电子从阳极向阴极移动，经由诸如电话的外部装置移动，该外部装置由电子流(即电流)供电。通过外部装置流动的电流还可以具有电子空位(即空穴)的性质。锂离子或钠离子此时从阳极向阴极移动。对电池组进行充电时，诸如壁式插座的外部电源经由从阳极至阴极的外部回路通过电解质和电子供应传输锂离子或钠离子所需的电力。通常，由锂离子或钠离子和电子形成的锂或钠与阳极材料合并、溶解在阳极材料中、在阳极材料中合金化或掺入阳极材料中。放电时，电子和离子流被逆转，且锂离子或钠离子与阴极材料合并、溶解在阴极材料中、在阴极材料中合金化或掺入阴极材料中。

目前，石墨通常被用作锂离子电池组中的阳极材料。石墨表现出非常接近零的工作电压(相对于Li/Li⁺)，其允许在阳极上形成锂金属枝晶(dendrite)。随着时间的变化，这些枝晶可延伸至阴极并导致电池组短路和停止工作。此外，这一低工作电压允许在电极表面上形成固体-电解质界面(SEI)层，其使电极钝化并导致低初始库伦效率和降低的倍率容量(rate capacity)，使得电池组较不适宜使用和/或寿命较短。

用作阳极时，锂金属受到类似问题的困扰。通过形成锂金属合金来缓解这些问题的尝试只是会导致新问题，例如充电和放电期间的大体积变化或陡峭的电势曲线，其最终使阳极的结构完整性受损并降低电池组寿命。此外，这些合金中的许多在接近零的电压(相对于Li/Li⁺)下运行，允许形成枝晶和/或SEI层。

解决一些这类问题的尝试包括形成降低体积变化影响的特定合金结构。然而，这些结构的形成通常复杂且昂贵。其他的尝试包括形成不经历大体积变化的合金，但这些合金倾向于显示倾斜的电压曲线，其导致放电循环中电池组性能和输出的变动。这类变动是不希望发生的，因为许多电学装置不能良好地耐受或无法在这类变动下运行。

钠离子电池组阳极材料也表现出类似问题。

附图简要说明

附图被纳入说明书并构成说明书的一部分，其显示若干方面并与说明书一起解释本发明的原理。

图1描绘了具有含有Bi-Sb合金的阳极的可再充电锂离子电池组。

图2描绘了形成Bi-Sb合金的高能量机械研磨方法。

图3A是Bi_0.36Sb_0.64-C的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3B是沿图3A中标记的方向的能量色散谱(EDS)线扫描剖面(line scan profile)。

图3C是Sb的EDS元素图(elemental map)；图3D是Bi的EDS元素图。

图4A是所示Bi-Sb合金的X射线衍射(XRD)图。该图下面部分中的线是Sb(中空三角)和Bi(中空矩形)的标准衍射峰。

图4B是Bi晶体的原子排列以及晶体结构下显示的晶格模式。

图4C是Bi_0.57Sb_0.43晶体的原子排列以及晶体结构下显示的晶格模式。