[发明专利]具有包含多孔区域的阳极结构的可再充电锂离子电池

说明书

提供了具有高容量的可再充电锂离子电池。锂离子电池包含阳极结构，该阳极结构具有整体构造并且包括非多孔区域和多孔区域，该多孔区域包括具有第一厚度和第一孔隙率的顶部多孔层(多孔区域1)和位于顶部多孔层下方并且与非多孔区域形成界面的底部多孔层(多孔区域2)。至少非多孔区域的上部和整个多孔区域由硅构成，并且底部多孔层具有大于第一厚度的第二厚度和大于第一孔隙率的第二孔隙率。

背景技术

本申请涉及一种可再充电电池。更具体而言，本申请涉及一种高容量可再充电锂离子电池，其包括由基板构成的阳极结构，该基板包括具有两种不同孔隙率的多孔半导体区域和位于多孔半导体区域下方的非多孔半导体区域。

近年来，对电子设备的需求日益增加，所述电子设备例如计算机、移动电话、跟踪系统、扫描仪、医疗设备、智能手表、电动工具、远程系统和传感器、电动车辆、物联网(IOT)和健身设备。这种电子设备的一个缺点是需要在设备本身内包括电源。通常，电池被用作这种电子设备的电源。电池必须具有足够的容量以至少在电子设备被使用的长度上为电子设备供电。足够的电池容量可以导致电源与电子设备的其余部分相比非常重和/或大。因此，需要具有足够能量存储的较小尺寸和较轻重量的电源。这种电源可以与作为电荷载体的锂离子材料结合在更小和更轻重量的电子器件中实现；由于锂是元素周期表中最轻和最正电性的电荷载体离子，因此锂离子电池和电容器被认为最适合于更小、能量密度更大的能量储存装置。

除了对产生高能量密度(高容量)的轻质能量储存装置的需求之外，对更快充电速率(即，高速充电动力学)的需求也是消费者市场中的当前需求。对于下一代电池，如果电池能够在十分钟或更短时间内完全充电以满足市场上消费者的需要，如电动车辆、便携式电信、IOT和传感器，则将是理想的。在电动车辆的情况下，如果消费者必须等待超过十分钟以对他/她的车辆充电，则电池供电的电动车辆可能对用户的时间线以及因此对他们的行驶范围施加限制。因此，电动车辆市场中使用的电池的快速充电速率将有助于创造可行的电动车辆市场，其将与气体动力汽车竞争并且可能替代气体动力汽车。

常规电池的另一个缺点是一些电池包含潜在的易燃和有毒材料，这些材料可能泄漏，从而引起安全危险和昂贵的产品召回。结果，这些电池可能受到政府法规的限制，并导致产品名誉受损。由于在这些电池内形成裂缝，电池泄漏的风险会增加。这些裂纹最可能是由电池充电/放电循环引起的内应力引起的。

此外，在包含固态电解质的电池的情况下，有证据表明，电池寿命性能由于这些电池内的枝晶形成而降低。枝晶尺寸在电池的寿命期间增加，并且最可能还与电池的充电/放电循环的次数有关。由于枝晶在电池内形成并随时间增长变大，枝晶趋于使电池的内部部件电短路，从而导致电池故障。

随着锂金属电荷宿主电极的出现，其提供锂金属的稳定的电荷宿主并且促进锂离子进入锂金属的可逆电离机制，反之亦然，在消费者市场中可获得用于大规模生产的可持续的全固态或半固态锂离子电池。锂金属保持3850mAh/g的理论能量容量，而硅基锂宿主电极材料保持4200mA/g的理论容量。例如，这两种用作阳极的材料都比常规石墨阳极材料的理论容量(372mAh/g)大十倍。然而，这些电池仍然具有破裂、泄漏和内部枝晶失效的风险。

因此，需要一种改进的锂离子电池，以提供一种具有减少的充电时间、具有更高的存储容量、并且在多次充电/放电寿命循环中安全且可再充电的电源，同时降低了由于电池内枝晶生长而引起的破裂、泄漏和故障的风险。

发明内容

提供了保持高容量(即，100mAh/g或更大的容量)的可再充电锂离子电池。在一些实施例中，本申请的可再充电锂离子电池还可展现增加的寿命、增加的充电/放电循环次数、减少的充电时间(即，快速充电速率)、循环期间体积膨胀和/或变形的减少、枝晶和裂纹形成的减少和/或由于开裂引起的减少的电池泄漏。