[发明专利]用于高性能硅基电极的底漆表面涂层

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学设备的高性能含硅电极，其中含硅电极设置在具有柔韧底漆表面涂层的集电器上，以防体积膨胀损坏、容量衰减，并提高长期性能。还提供了在含硅电极上制备这种柔韧底漆表面涂层的方法及其使用方法。

背景技术

本部分提供了与本发明相关联的背景信息，其并不一定是现有技术。

高能量密度的电化学电池单元(比如锂离子电池)可以用于各种消费类产品和车辆中，比如混合动力车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子电池包括第一电极(比如阴极)、第二电极(比如阳极)、电解质材料、以及隔膜。通常，对锂离子电池单元堆栈进行电连接，以增加整体输出。传统的锂离子电池通过在负电极和正电极之间可逆地传导锂离子而工作。隔膜和电解质布置在负电极和正电极之间。电解质适于传导锂离子，且可以是固态或液态。在电池充电期间，锂离子从阴极(正电极)移动到阳极(负电极)，并在电池放电时反向移动。

阳极和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间形成电势。当电极之间的外部电路中产生电子电流时，通过电池单元内的电化学反应来维持电势。堆栈内的负电极和正电极中的每一个均连接于集电器(通常为金属，比如镍或铜用于阳极，铝用于阴极)。在电池使用期间，与两个电极相关联的集电器通过外部电路相连，使得电子所产生的电流在电极之间通过，以补偿锂离子的传输。

作为非限制性实例，锂电池的阴极材料通常包含电活性材料，其可以插嵌锂离子(比如锂过渡金属氧化物、或混合氧化物、或锂铁磷酸盐)。电解质通常含有一种或多种锂盐，其可以在非水溶剂中被溶解和离子化。

负电极通常包括锂嵌入材料或合金基质材料。用于形成阳极的典型电活性材料包括锂石墨插嵌/合金化合物、锂硅插嵌/合金化合物、锂锡插嵌/合金化合物、锂合金。由于石墨化合物最常见，近年来，具有高比容量(与传统石墨相比)的阳极材料日益受到关注。比如，硅具有用于锂的最高已知理论充电容量，使得其成为可充电锂离子电池的特别有前景的材料。因此，硅具有较高的重量容量和体积容量，其提供比石墨更高的能量密度，如下表1中的容量所示。

表1

然而，含硅的现有阳极材料具有明显的缺陷。在锂嵌入/提取(比如，插嵌/合金化和脱嵌/脱合金-插嵌/合金化)期间，含硅材料的大体积变化(比如体积膨胀/收缩超过300％)可能导致阳极的物理损坏，包括褶皱、破裂或断裂。这种体积膨胀因此可能导致电接触和电极活性的丢失。在商业上可行的含硅电极所需的负载密度水平下尤其如此。另外，固体电解质界面(SEI)层的形成可以形成在活性材料表面上，并导致连续的电解质消耗和锂离子损失，这可能导致锂离子电池中不可逆的容量衰减。在阳极的插嵌/合金化期间，较大的体积膨胀可能因此导致电化学循环性能的衰弱、库仑充电容量的减小(容量衰减)、以及极其受限的较差的循环寿命。

需要开发用于高能锂离子电池中的含硅的高性能负电极材料，其克服了妨碍它们广泛的商业应用(尤其是车辆应用)的现有缺陷。为了长期有效的使用，应该能够在高负载密度条件下包括含硅的阳极材料，同时避免物理损坏，以提供最小的容量衰减和最大的充电容量，以便锂离子电池长期使用。

发明内容

本部分提供了本发明的一般性概述，并不全面公开其整个范围或其所有特征。

在各个方面中，本发明提供了用于电化学电池单元的电极(比如负电极)。该电极包括集电器，该集电器含有从铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组中选取的金属。底漆表面涂层形成于集电器的表面上。底漆表面涂层包含聚合物(其具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度)和至少一种类型的导电颗粒。电极进一步包括电活性材料，其在锂化和脱锂(比如锂离子插嵌/合金化和脱嵌/脱合金插嵌/合金化)设置在底漆表面涂层上的期间经受体积膨胀。在某些方面，电活性材料可以包含硅。在至少一次锂化和脱锂循环之后，集电器的表面上的底漆表面涂层和电活性材料保持完整。