[发明专利]金属和金属离子电池的纳米多孔导电骨架基体中的氟化物

说明书

本发明提供了一种包含复合材料颗粒的电池电极成分。每个复合材料颗粒都可包含例如活性氟化物材料以及所述活性氟化物材料设置在其内的纳米多孔导电骨架基体。活性氟化物材料用于在电池运行期间存储和释放离子。离子的存储和释放可导致活性材料的体积的实质性变化。所述骨架基体结构性地支撑活性材料、电气地互连活性材料并且适应活性材料的体积变化。

母案信息

本申请是申请号为“201480065452.6”、标题为“金属和金属离子电池的纳米多孔导电骨架基体中的氟化物”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本申请总体上涉及能量存储装置，更具体地涉及金属和金属离子电池技术等方面。

背景技术

部分由于它们能量密度相对较高、重量轻并且潜在寿命长，所以很多电子消费品都期望使用先进的金属离子电池-例如锂离子(Li-ion)电池。然而，虽然它们在商业上日益流行，但是这些电池需要进一步发展，尤其是对于低或零排放应用、混合电动或全电动车辆、电子消费品、节能货船和节能载物火车、航空航天应用和电网等方面的潜在应用。

用于锂离子电池的转化型电极-例如氟化物、硫化物、氧化物、氮化物、磷化物、氢化物和其他物质，提供高的重力和体积容量。

具体地，氟化物提供相对高的平均电压和高容量的组合，但是对于各种金属离子(例如锂离子)电池化学反应来说受到若干限制。例如，据说只有选定的金属氟化物颗粒才能在锂离子电池单元中提供某些适当的循环稳定性(具体地说，AgF₂、FeF₂、FeF₃、CoF₂和NiF₂)。通常认为很多其他金属氟化物不能实际用于锂离子电池，因为在电池运行期间在阴极中会发生不可逆变化。例如，在锂离子插入到某些其他氟化物(例如，CuF₂)期间以及在随后在转化反应期间形成LiF时，初始形成氟化物的元素(例如，在CuF₂的情形中Cu)产生电绝缘(Cu)纳米颗粒。因为电绝缘，在随后的Li提取期间这种纳米颗粒不能与LiF发生电化学反应来转换回为CuF₂，从而阻止了转化反应的可逆性。因此，在放电之后，电池单元不能被充电回初始容量。

然而，甚至基于那些由于它们的相对可逆运行和相当低的成本而被认为是最实用的金属氟化物(例如，FeF₂、FeF₃、CoF₂和NiF₂)的阴极，也受到多种限制，包括：(ⅰ)低导电性，这会限制它们的使用以及电池的能量和功率特性；(ⅱ)低离子传导性，这会限制它们的使用以及电池的能量和功率特性；以及(ⅲ)金属离子插入/提取期间的体积变化，这可导致在电池运行期间电极的机械和电气劣化。因此，虽然基于氟化物的阴极在理论上具有优点，但是例如它们在金属离子电池中的实际应用难于实现。生产的具有氟化物基阴极的电池单元具有稳定性差、体积变化、充电慢和和阻抗高的缺点。

已经开发了若干方法来克服上述困难中的某些，但是没有一种方法在克服所有困难方面完全取得成功。

例如，减小颗粒大小使离子扩散距离也减小，并且提供了一种解决离子传导率低的限制的方法。然而，纳米粉末受到单个颗粒之间形成的多个高电阻接触点导致的高电阻的困扰。另外，小的颗粒大小增加不期望的电化学副反应的比表面积。此外，仅减小颗粒大小不能解决并且在某些情形中可能加剧这些材料的其他限制，例如体积变化以及颗粒粘合剂界面的弱化。最后，与用于阴极配方的微米级颗粒相比，操纵纳米颗粒和使用它们来制备致密电极在技术上是很困难的。纳米颗粒难于均匀地散布在阴极的导电碳添加剂和粘合剂内，并且易于发生不期望的纳米颗粒团块形成。这种团块的形成降低了电极密度(因此降低了电池单元的体积标准容量和能量密度)，降低了电极稳定性(因为在这种团块内粘合剂和导电添加剂不会连接单个颗粒)并且降低容量使用(因为纳米颗粒中的某些变得电绝缘并且因此不参与锂离子存储)。