[发明专利]以多相金属箔作为集成金属阳极用于非水性电池

说明书

本文公开了用于非水性电池中的多相金属阳极。所述阳极包含至少一种活性金属和至少一种导电金属。

政府支持声明

本发明得到美国能源部项目DE-SC0005397的资助，在政府支持下完成。美国政府拥有本发明的某些权利。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月28日提交的美国临时申请62/491,653的权益，该临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

本发明涉及领域

本发明涉及用于非水性电池例如锂离子电池、钠离子电池、钙离子电池和镁离子电池的多相金属箔合金阳极。

背景技术

尽管可充电非水性锂离子电池(LIB)无处不在，应用范围从消费电子产品到电动汽车，但是仍需进一步改进当前的技术，以满足未来的需求。为此，最近的研究集中于通过添加合金化合物诸如硅、锡、锗和铝来提高LIB石墨阳极的重量能量密度。遗憾的是，通过添加具有更高理论容量的合金化合物来提高能量密度的努力仅取得了有限的成功，因为可成功添加低重量百分比(低于10重量％)而不显著影响首次循环库仑效率、倍率性能和循环特性。为解决体积变化，一些研究考察了二元粉末诸如Al-Sn、Sn-Sb和Ag-Sn的薄膜或复合材料。这些粉末得益于将纳米尺寸的合金材料与导电基质均匀混合。

增加重量密度的另一条途径是考察既可用作活性材料又可以用作集电器的材料。由于材料的高延性，这些研究主要限于铝或锡，这是生产箔所需的。这些研究的影响有限，因为循环特性差、库仑效率低或实现/利用的容量低。许多研究得出的结论是，由锂合金金属制成的箔的循环特性差是由于循环的体积变化较大(200％)和/或与电解质发生不期望的反应。

发明内容

本文公开了集成金属箔阳极(IMFA)，其包括由至少一种活性材料和导电金属组成的多相金属体系。IMFA消除了对单独的非活性铜箔集电器的需求，从而使有效容量显著增加(从150maAh/g增加至≤300mAh/g)，同时减小了体积膨胀。除锂离子化学之外，本发明所公开的阳极可有利地部署在其他碱金属和碱土金属体系中，例如钠离子电池、钙离子电池和镁离子电池。

在以下说明中列出了一个或多个实施例的细节。其他特征、目的和优点在实施方式和权利要求中将显而易见。

附图简要说明

图1示出轧制前后AT(铝-锡)和AZT(铝-锌-锡)合金的SEM显微照片和EDX元素图。具体地，显示了作为铸锭的AT50、AT60、AT70、AZT50、AZT60和AZT70的SEM显微照片和EDX元素图。显示了作为合金箔的AT50、AT60、AT70、AZT50、AZT60和AZT70的SEM显微照片和EDX元素图。在EDX元素图中，锡显示为红色，铝显示为绿色，并且锌显示为蓝色。图1A示出分散在z-y平面上的多相体系。图1B示出分散在x-y平面上的金属的多相体系。

图2示出AZT阳极的电化学性能：(a)在300mAh/g容量限制循环过程中，AZT70合金在C/10下的恒电流电压响应。(b)在锂半电池中，AZT70合金在多个速率和多个容量范围内的循环特性。

图3示出AZT70的高倍放大SEM及对应的EDX元素图。

图4示出各种AT和AZT合金的XRD图。

图5示出在a)空气和b)氩气气氛下加热AT合金的TGA/DSC结果。

图6示出Sn-Zn锭的SEM显微照片和EDX元素图，其中在EDX元素图中，锡显示为红色，并且锌显示为绿色。

图7示出Sn-Zn箔的X射线衍射谱。

图8示出Sn-Zn在以C/10的速率的第5次充电/放电过程中的电压曲线。