用于锂离子电池的硅-k8凯发

本公开涉及用于改善导电性、比容量和循环寿命稳定性的硅-硫-聚合物复合阳极，以及用于生产适用于电化学储能设备的高容量硅-硫-聚合物复合阳极的方法。

背景技术：

1、锂离子(li-离子)电池大量用于消费电子产品、电动汽车(ev)、储能系统(ess)和智能电网。li-离子电池的能量密度至少部分取决于所用的阳极材料和阴极材料。优化li-离子电池的加工和制造使得li-离子电池的能量密度每年改进4至5％，但这些增量改进不足以达到下一代技术的能量密度目标。为了达到这些目标，将需要在电极材料方面取得进展，诸如将高能量密度活性材料结合到电极中。最近的研究主要集中在开发高能阴极上，只有有限的研究致力于阳极材料的开发。

2、最近，硅(si)已成为li-离子电池最具吸引力的高能阳极材料之一。硅的低工作电压和3579mah/g的高理论比容量是常规石墨的近十倍，因此引起了人们的兴趣增加。然而，尽管有这样的显著的优势，硅阳极仍然面临着与严重的体积膨胀和由此产生的颗粒分解相关联的几个挑战。当石墨电极在锂嵌入期间膨胀10至15％时，si电极膨胀约300％，导致固体电解质界面(sei)层的结构退化和不稳定性。这会导致材料粉碎和电极分层，导致循环容量的损失。虽然使用有效的粘合剂来保护硅颗粒不被分解是很重要的，但是离子移动的导电路径对于在循环期间保持容量也是至关重要的。过去的研究重点是使用来自碳和石墨烯的导电添加剂来解决这个问题，但仍然面临重大挑战。

3、开发高性能硅基电极的另一个主要挑战是在电化学循环期间保持电子传导路径。由于体积膨胀和收缩导致的颗粒破裂会破坏电极结构内的传导路径，并且导致活性材料隔离，从而降低电极的总容量。减轻硅阳极中与破裂有关的容量损失的一种方法是使用纳米尺度的材料，因为已经表明小于150nm的硅纳米颗粒可以承受完整的电化学循环而没有结构退化。然而，硅纳米颗粒和纳米特征材料的合成需要复杂且昂贵的加工程序，这阻碍了它们在大规模实施方面取得成功的能力。虽然从块状材料的角度来看，微米尺寸的硅颗粒更加经济，但是微米硅(μsi)电极需要坚固的复合结构，以在破裂期间机械地限制颗粒并且保持传导路径。

技术实现思路

1、该概述被提供以便以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在以下具体实施方式中进一步描述。该概述和前述背景技术不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征。此外，该概述不旨在作为确定制所要求保护的主题的范围的辅助。

2、本文描述的是硅-硫-聚合物阳极及其制造方法的各种实施方案。

3、在一些实施方案中，硅-硫-聚合物阳极的制造方法通常包括将硅颗粒、单质硫(elemental sulfur)和至少一种聚合物混合在一起以形成混合物；将混合物涂布到铜集流器上以形成经涂布的铜集流器；以及使经涂布的铜集流器经受温度处理的步骤。在一些实施方案中，温度处理可以包括在惰性气氛中将经涂布的铜集流器加热至在约200℃至约600℃的范围内的温度。

4、在一些实施方案中，电化学储能设备通常包括阳极、阴极和电解质。阳极可以包括多个活性材料颗粒、单质硫和至少一种聚合物。多个活性材料可以是颗粒尺寸在约1nm和约100μm之间的硅颗粒。在一些实施方案中，活性材料颗粒被单质硫封装，并且至少一种聚合物封装硫封装的活性材料颗粒。

5、考虑本文的具体实施方式和附图之后，本文所描述的技术的这些方面和其他方面将是显而易见的。然而，应当理解的是，所要求保护的主题的范围应当由所发布的权利要求来确定，而不是由给定的主题是否解决了背景技术中提到的任何或所有问题或者是否包括
技术实现要素：
中列举的任何特征或方面来确定。

技术特征：

1.一种用于电化学储能设备的包含硅、单质硫和聚合物材料的阳极活性材料的制造方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中使所述经涂布的铜集流器经受所述温度处理包括在惰性气氛中将所述经涂布的铜集流器加热至在约200℃至约600℃的范围内的温度。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤c)从涂布在所述铜集流器上的所述混合物中除去所述溶剂。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅颗粒的尺寸范围为约1nm至约100μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物还包括硬碳、石墨、锡和锗颗粒中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含30重量％至90重量％的硅颗粒。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含0.01重量％至40重量％的硫。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含5重量％至40重量％的所述至少一种聚合物。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种聚合物是聚丙烯腈(pan)。

12.一种电化学储能设备，包括：

13.根据权利要求12所述的电化学储能设备，其中所述多个活性材料颗粒是硅颗粒。

14.根据权利要求12所述的电化学储能设备，其中硫封装所述活性材料颗粒中的一种或多种以形成硫封装的活性材料颗粒，并且所述至少一种聚合物封装所述硫封装的活性材料颗粒。

15.根据权利要求14所述的电化学储能设备，其中所述硫封装一种或多种活性材料颗粒还包括硬碳、石墨、锡和锗颗粒中的一种或多种，使得所述活性材料颗粒被硬碳、石墨、锡和锗颗粒中的一种或多种以及硫封装。

16.根据权利要求12所述的电化学储能设备，其中所述至少一种聚合物包括聚丙烯腈。

17.根据权利要求12所述的电化学储能设备，其中所述阴极包括锂金属氧化物、尖晶石、橄榄石、碳涂布的橄榄石、氧化钒、过氧化锂、硫、多硫化物、一氟化碳锂或其混合物。

18.根据权利要求12所述的电化学储能设备，其中所述阴极是过渡金属氧化物材料，并且包括过锂化氧化物材料。

19.根据权利要求12所述的电化学储能设备，还包括：

20.根据权利要求12所述的电化学储能设备，其中所述金属盐包括锂盐。

技术总结
一种用于电化学储能设备的包括硅、单质硫和聚合物材料的阳极活性材料的制造方法，该方法包括将硅颗粒、单质硫和至少一种聚合物混合在一起以形成混合物；将混合物涂布到铜集流器上以形成经涂布的铜集流器；以及使经涂布的铜集流器经受温度处理。电化学储能设备包括阳极活性材料、阴极和电解质。

技术研发人员：苏里亚·s·莫甘蒂,鲁特维克·瓦伊迪亚,y·吴
受保护的技术使用者：诺姆斯科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8