[发明专利]在电极中原位生长轴向几何碳结构的方法

说明书

提供在循环锂离子的电化学电池的电极中原位形成许多轴向几何碳结构（例如碳纳米管或碳纤维）的方法。将发生体积膨胀的电活性粒子与聚合物前体和包含选自：铁、镍、钴、合金及其组合的金属的许多催化纳米粒子混合以形成基本均匀的浆料。将所述浆料施加到基底上，然后在具有≤大约1000℃和在某些方面中≤大约895℃的温度的环境中加热以热解聚合物前体。所述许多催化纳米粒子促进碳的原位沉淀以生长许多轴向几何碳结构。在加热后，所述电极包括包含所述许多电活性粒子和所述许多轴向几何碳结构的导电碳质多孔网络。

引言

这一节提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。

高能量密度电化学电池，如锂离子电池组可用于各种消费品和车辆，如混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)。典型的锂离子电池组包含第一电极（例如正极或阴极）、第二电极（例如负极或阳极）、电解质材料和隔离件。锂电池组的阴极材料通常包含可被锂离子插入的电活性材料，如锂-过渡金属氧化物或尖晶石类型的混合氧化物，例如包括尖晶石LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn_1.5Ni_0.5O₄、LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂（其中0x1，y1且M可以是Al、Mn等）或磷酸锂铁。

负极通常包括嵌锂材料或合金主体材料。用于形成阳极的典型电活性材料包括锂-石墨插层化合物、锂-硅嵌入化合物、锂-锡嵌入化合物或锂合金。尽管石墨化合物最常见，但最近对具有高比容量（与常规石墨相比）的阳极材料越来越感兴趣。硅具有最高的已知理论锂装载容量，以使其是用于可充电锂离子电池组的最有前途的材料之一。但是，当前的含硅阳极材料具有严重的缺点。含硅的电活性材料在锂嵌/脱（insertion/extraction）（例如插入（intercalation）和脱出（deintercalation））过程中发生例如大约300%的大体积变化（例如体积膨胀/收缩），这会造成阳极开裂、电化学循环性能衰减和降低的库仑充电容量（容量衰减）和极其有限的循环寿命。

希望开发用于高功率锂离子电池组的含硅高性能负极材料，其克服了阻碍它们的广泛商业应用（尤其是在车辆用途中）的现有缺点。

概述

这一节提供本公开的一般概述并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。

本申请涉及以下内容：

[1]. 一种在循环锂离子的电化学电池的电极中原位形成许多轴向几何碳结构的方法，所述方法包括：

混合在电化学电池循环锂离子时在电极内发生体积膨胀的许多电活性粒子、聚合物前体和包含选自：铁、镍、钴、合金及其组合的金属的许多催化纳米粒子以形成基本均匀的浆料；

将所述浆料施加到基底上；和

在具有小于或等于大约895℃的温度的环境中加热所述浆料以热解聚合物前体，以使所述许多催化纳米粒子促进碳的沉淀以生长许多轴向几何碳结构，其中在加热后，所述电极包括包含所述许多电活性粒子和所述许多轴向几何碳结构的导电碳质多孔网络。

[2].根据1的方法，其中所述温度大于或等于大约500℃至小于大约700℃。

[3].根据1的方法，其进一步包括在施加后但在加热前交联或固化所述聚合物前体。

[4].根据1的方法，其中除所述许多催化纳米粒子外，所述浆料基本不含导电粒子。

[5].根据1的方法，其中所述电活性粒子包含硅。

[6].根据5的方法，其中所述电活性粒子包含选自：Si、SiSn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SiO_x及其组合的电活性材料。