包括集流器和硅電極的組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及包括集流器和硅電極的組件，其特征在于，集流器和所述電極經(jīng)由它們表面中的至少一個(gè)通過彈性聚合物層連接在一起。本發(fā)明可以用于鋰電池領(lǐng)域。
【專利說明】包括集流器和硅電極的組件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于鋰電池概念的基于硅的的新型集流器-電極組件。
[0002] 因此，本發(fā)明的一般領(lǐng)域限定為鋰電池領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0003] 鋰電池被越來越多地用作自發(fā)能源，尤其用在便攜電子設(shè)備（例如移動(dòng)電話、筆 記本電腦，作業(yè)工具）中，其中它們正在逐漸地代替鎳鎘（nickel-cadmium, NiCd)和鎳金屬 氫化物（nickel-metal hydride, NiMH)電池。它們被廣泛用于提供新型微應(yīng)用，例如芯片 卡、傳感器或其它電化學(xué)系統(tǒng)所要求的能量供應(yīng)。
[0004] 商業(yè)可用鋰離子型的鋰電池一般具有的3. 7伏特的標(biāo)定電壓，極低的自放電并且 當(dāng)前使得在操作溫度的擴(kuò)充范圍（_2〇°C至+65°C )中的大約160-180Wh/kg和420-500Wh/ kg的存儲(chǔ)成為可能。
[0005] 根據(jù)以下原理，這些鋰電池基于鋰的注入-脫出（或者嵌入-脫嵌）原理進(jìn)行操 作。
[0006] 在電池的放電期間，從離子形式Li+的負(fù)電極脫出的鋰通過離子導(dǎo)電電解質(zhì)移動(dòng) 并且將其自身注入正電極的活性材料的晶格中。電池的內(nèi)部電路中的每個(gè)Li+離子的通路 精確地由外部電路中的電子的通路來補(bǔ)償，從而生成電流。這些反應(yīng)釋放的質(zhì)量能量密度 一面與兩個(gè)電極之間的電勢差成比例，一面又與將被注入正電極的活性材料的鋰的數(shù)量成 比例。
[0007] 在電池的充電期間，在電池內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)是逆向放電反應(yīng)，也就是：
[0008] -負(fù)電極要將鋰注入構(gòu)成負(fù)電極的材料的晶格中；
[0009]-正電極要釋放鋰。
[0010] 由于這個(gè)操作原理，鋰電池要求在負(fù)電極和正電極處的兩個(gè)不同注入化合物。
[0011] 正電極通常以以下類型的過渡金屬的鋰化氧化物為基礎(chǔ)：
[0012] -分子式為LiM02的層狀氧化物型，其中Μ指示Co、Ni、Μη、A1及其混合物，例如 LiCo02、Li Ni 02、1^(附、(：〇、]\111、六1)02;或者
[0013] -尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物型，例如LiMn204。
[0014] 負(fù)電極可以以碳材料為基礎(chǔ)，尤其以石墨為基礎(chǔ)。
[0015] 石墨具有大約372mAh/g的理論比容量（與LiC6合金的形成對應(yīng)）和大約320mAh/ g的實(shí)際比容量。然而，在第一充電期間石墨展示出高的不可逆性、在循環(huán)中的容量連續(xù)損 失和在高充電/放電率（例如，對于C/2充電率而言的）情況下的總體不可接受的活躍限 制。
[0016] 利用改進(jìn)負(fù)電極中的鋰的注入屬性的觀點(diǎn)，研究者致力于搜索新的電極材料。
[0017] 因此，他們發(fā)現(xiàn)，能夠形成帶有鋰的合金的材料或元素能夠構(gòu)成對于石墨的使用 的優(yōu)良可替選項(xiàng)。
[0018] 在這個(gè)方式下，演示出負(fù)電極中的硅的注入使得可以大大地增加負(fù)電極的容量 t匕，該負(fù)電極鏈接到鋰中的注入物，該容量比為對于石墨電極的320mAh/g和對于硅電極的 3578mAh/g (與硅中的鋰的外圍溫度處的注入期間的合金Li15Si4的形成對應(yīng)）。因此，通過 簡單的預(yù)測，如果由硅來代替在"鋰離子"領(lǐng)域的傳統(tǒng)電池中的石墨，可以設(shè)想分別在體積 能量中和在質(zhì)量能量中的大約40%和35%的增益。而且，高于石墨的操作電勢窗口的，分 子式為Li 15SiJ^鋰-硅合金的操作電勢窗口（0.4-0.05V/-Li-Li+)使得可以避免金屬鋰的 沉積物的形成及相關(guān)危險(xiǎn)，同時(shí)留下實(shí)現(xiàn)更快的充電的可能性。另外，建立導(dǎo)致非常高容量 (大約3578mAh/g)的鋰-娃合金的形成的反應(yīng)是可逆的。
[0019] 但是，鋰電池的負(fù)電極中的硅的使用具有一定數(shù)量的問題。
[0020] 具體地，在硅-鋰合金的形成（與在充電過程中的負(fù)電極中的鋰的注入對應(yīng)）的 反應(yīng)期間，在去鋰化階段和鋰化階段之間的體積膨脹可以達(dá)到從240%至400%的范圍內(nèi) 的值。這個(gè)后面接著相同幅度的收縮（與放電過程期間的負(fù)電極中的鋰的脫出對應(yīng)）的強(qiáng) 烈膨脹可以快速引起電極的不可逆機(jī)械損壞。
[0021] 而且，由于鋰的注入生成的硅的增大，接著發(fā)生集流器-電極界面的重大加載，不 可避免地導(dǎo)致所述集流器和所述電池之間粘合的開裂，甚至在集流器的水平處的裂縫，這 促進(jìn)減少電池的集電表面。
[0022] 因此，本發(fā)明的作者自己設(shè)置的目的為提出一種使得可以克服前述缺點(diǎn)的集流 器-電極組件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 因此，本發(fā)明涉及一種包括集流器和電極的組件，該電極包括元素形式的硅，該組 件特征在于，所述集流器和所述電極通過它們的表面中的至少一個(gè)通過彈性聚合物層連接 在一起。
[0024] 由于硅電極和集流器之間的彈性聚合物層的存在，鋰電池中的鋰的注入現(xiàn)象期 間，硅的增大所引起的變形被所述聚合物層吸收，這樣使得可以保護(hù)收集器-電極界面不 受任何機(jī)械退化的現(xiàn)象影響。
[0025] 應(yīng)當(dāng)指出的是，彈性聚合物層的意思是指包括在被變形之后能夠恢復(fù)其初始形狀 及其體積的一種或多種聚合物。
[0026] 因此，這個(gè)彈性聚合物層可以包括從熱塑性聚合物、熱固性聚合物、開始具有彈性 的彈性體及其混合物中選出的一種或多種聚合物。
[0027] 作為熱塑性聚合物的實(shí)例可以為從脂肪族或環(huán)乙烯基單體的聚合獲取的聚合物， 例如聚烯烴（其中，聚乙烯或代替的聚丙烯尤其適合本發(fā)明）獲得的所引用的聚合物；可以 為從芳香乙烯基單體的聚合獲得的聚合物，例如聚苯乙烯；可以為從丙烯酸和/或（甲基） 丙烯酸酯單體、聚酰胺，聚醚，聚酰亞胺的聚合獲得的聚合物。
[0028] 作為熱固性聚合物的實(shí)例可以為所引用熱固性樹脂（例如，環(huán)氧樹脂、聚酯樹 脂），該熱固性樹脂可選地與聚氨酯或聚醚多元醇的混合，或反之亦然。
[0029] 作為彈性聚合物的實(shí)例可以為所引用的自然橡膠（從橡膠樹種植園中收集的乳 膠中獲得）、人工橡膠、苯乙烯-丁二烯共聚物（也稱為縮寫"SBR")、乙烯-丙烯共聚物（也 稱為縮寫"EPM"）和硅。這些聚合物可以通過氧、硫或其它能夠?qū)崿F(xiàn)所述硬化的化學(xué)元素來 硬化。
[0030] 如上文提到的，聚合物層可以由熱塑性聚合物（一種或多種）、熱固性聚合物（一 種或多種）和/或彈性聚合物（一種或多種）的混合物制成。
[0031] 因此，例如，聚合物層可以由以下混合物組成：
[0032] -熱固性樹脂（例如環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂）與聚氨酯或與聚醚多元醇的混合物；
[0033] -從芳香族、脂肪族和/或環(huán)乙烯基單體的聚合獲得的聚合物與聚氨酯或與苯乙 烯-丁二烯彈性體的混合物。
[0034] 優(yōu)選的，彈性聚合物層由如上文提到的一種或多種彈性聚合物形成。
[0035] 這個(gè)彈性聚合物層還確保粘合功能，以便將內(nèi)聚力給予由集流器和電極構(gòu)成的組 件。
[0036] 這個(gè)彈性聚合物還可以為電絕緣層，從而將集流器與電極電絕緣。
[0037] 因此，電路收集器-電極組件可以進(jìn)一步包括所述集流器和所述電極之間的電連 接裝置，所述裝置能夠采用將集流器連接至所述電極并且穿過所述彈性聚合物層的導(dǎo)電元 件的形式。所述裝置可以形成集流器的整體部分。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明，集流器可以為導(dǎo)電基板的形式，例如，金屬基板（所述金屬板能夠?yàn)?金屬條帶的形式）。
[0039] 作為實(shí)例，金屬基板可以為選自銅、鋁、鎳及其混合物的一種或多種金屬元素構(gòu)成 金屬基板。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，集流器可以為包裹有碳納米管束的導(dǎo)電基板的形 式，所述納米管能夠關(guān)于所述基板的表面來垂直或相互平行設(shè)置，并且有益地是穿過彈性 聚合物層，以便于電極接觸。
[0041] 這個(gè)基板由導(dǎo)電材料制成，該導(dǎo)電材料能夠用作碳納米管的生長的基座。導(dǎo)電基 板可以為：
[0042] -以金屬元素為基礎(chǔ)的基板，例如由鋁制成的基板或由金屬化的彈性材料制成的 膜所組成的基板；
[0043] -以非金屬元素為基礎(chǔ)的基板，例如，摻雜的硅基板；
[0044] -由碳材料制成的基板，例如石墨、石墨烯、碳納米管。
[0045] 因此，所述碳納米管束使得構(gòu)成集流器的基板和電極之間的電連接成為可能。
[0046] 基板可以具有100 μ m以下的厚度，例如50 μ m以下，（例如包括5 μ m和30 μ m之 間），例如等于l〇ym。
[0047] 而且，碳納米管束可以一方面確保電極的體積的電流的注入和提取功能，另一方 面確保無論變形的等級(jí)怎樣，都確保與所述電極接觸（由于碳納米管中的內(nèi)在彈性）的功 能。
[0048] 而且，碳納米管確保重要的安全任務(wù)，因?yàn)樗鼈冎粫?huì)在高強(qiáng)度下被破壞，例如在超 過500nA的強(qiáng)度值下。
[0049] 碳納米管可以為單壁的或多壁的納米管，并且可以具有108納米管/cm2的分布密 度以及具有從10 μ m至100 μ m的長度范圍，例如50 μ m。
[0050] 如上文提到的，電極包括元素形式的硅（換句話說，零氧化程度沒有與其它元素 結(jié)合的娃）。
[0051] 除了硅的存在外，電極可以包括碳材料，例如炭黑，活性碳（例如，以名稱"Super P"銷售的），單壁的、雙壁的或是多壁的碳納米管，碳纖維、石墨烯、球殼狀碳分子及其混合 物。
[0052] 從結(jié)構(gòu)的角度，硅和碳材料可以以"核-殼"型結(jié)構(gòu)的形式來組織自身，核由碳材 料構(gòu)成，而殼由硅材料構(gòu)成，或者反之亦然。
[0053] 作為實(shí)例，電極可以包括"核-殼"型結(jié)構(gòu)，其中：
[0054] -核由碳納米管構(gòu)成，而殼由硅構(gòu)成；或者
[0055] -核由硅構(gòu)成，則殼由石墨烯或球殼狀碳分子構(gòu)成。
[0056] 作為實(shí)例，根據(jù)本發(fā)明的具體組件為包括以下內(nèi)容的組件：
[0057] -在其中一個(gè)表面上包裹有一束碳納米管的鋁基板作為集流器；
[0058] -由包括元素形式的硅的材料和碳材料（例如，如上文限定的碳材料）的合成材 料制成的電極作為電極；
[0059] -碳納米管束穿過聚合物層，以與所述電極接觸。
[0060] 而且，彈性聚合物層由苯乙烯-丁二烯聚合物制成。
[0061] 根據(jù)本發(fā)明的組件可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍內(nèi)的簡單技術(shù)形成。
[0062] 因此，根據(jù)本發(fā)明的組件可以通過按壓夾在集流器和電極之間的彈性聚合物層來 形成。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明的組件還可以通過以下連續(xù)步驟來形成：
[0064]-通過在電極的一個(gè)表面上噴射彈性聚合物層的沉積步驟；
[0065]-將集流器按壓在從而獲得的彈性聚合物層上的步驟。
[0066] 更具體的，噴射的步驟可以通過靜電噴射、電暈放電噴射或火焰噴射來執(zhí)行。
[0067] 當(dāng)集流器由包裹有碳納米管束的金屬基板組成時(shí)，這個(gè)可以在前文提到的按壓步 驟之前來準(zhǔn)備，該準(zhǔn)備能夠包括在在所述基板上生長碳納米管中。
[0068] 可以根據(jù)不同的方法來準(zhǔn)備這些碳納米管，在這些方法中，可以為所引用的：
[0069]-使用從激光、電弧選擇的能源和使用碳目標(biāo)的高溫方法；
[0070] -以在金屬催化劑上的碳?xì)浠衔餁怏w的沉積為基礎(chǔ)的中等溫度方法。
[0071] 對于高溫方法來說，能源（電弧或激光消融）用于在基板的預(yù)定位置處使通常認(rèn) 為是目標(biāo)的，主要由碳，例如石墨構(gòu)成的元素進(jìn)行汽化，使得在所述方法的結(jié)尾形成碳納米 管束。通過源生成的能量的高度集中可以使得局部溫度提高，接近目標(biāo)溫度，大于3000°C。 從目標(biāo)汽化的時(shí)刻起，包括原子尺寸的碳粒子的等離子體被創(chuàng)建。這些粒子在等離子體中 一起反應(yīng)形成碳納米管。
[0072] 對于以金屬催化劑上的碳?xì)浠衔餁怏w的沉積為基礎(chǔ)的中等溫度方法而言，更 具體的為所引用的，優(yōu)選的在流化床中發(fā)生的傳統(tǒng)CVD型方法（CVD代表化學(xué)氣相沉積， Chemical Vapour Deposition)。碳?xì)浠衔餁怏w可以為乙炔、二甲苯、甲燒、乙烯、丙烯。在 壓力和溫度的具體條件中，進(jìn)入與金屬催化劑離子接觸的氣體沉積并且來自金屬催化劑粒 子的位置的碳粒子一起反應(yīng)形成碳納米管。金屬催化劑粒子可以以Ni、Co、Fe為基礎(chǔ)并且 沉積在金屬基板上，可選地被阻擋層（例如，鈦氮化物、二氧化硅）覆蓋以避免基板中的催 化劑的擴(kuò)散。根據(jù)碳納米管的設(shè)想數(shù)量和碳納米管之間的期望空間，這些金屬催化劑粒子 優(yōu)選地根據(jù)預(yù)定設(shè)置而布局。為了控制基板上的金屬催化劑粒子的沉積，可以設(shè)想在所述 粒子的沉積之前，根據(jù)光刻法原理來對部分基板進(jìn)行物理性或化學(xué)性的掩膜，期望該部分 基板在方法的結(jié)尾該部分基板上沒有碳納米管。
[0073] 一般來說，反應(yīng)溫度不超過900°C。
[0074] 當(dāng)合成出納米管時(shí)，設(shè)想執(zhí)行催化劑的消除步驟，為了當(dāng)所述材料使用在鋰電池 的負(fù)電極中時(shí)，所述催化劑不與鋰反應(yīng)。金屬催化劑粒子的消除可以通過利用以下的硝酸 的化學(xué)侵蝕來發(fā)生，在一定情況中，通過高溫?zé)崽幚恚ɡ?00°C至2000°C )來發(fā)生，以為 了消除剩余的催化劑粒子以及任何表面雜質(zhì)。
[0075] 以催化劑粒子的使用為基礎(chǔ)的中等溫度方法具體有利于本發(fā)明的實(shí)施，只要它們 通過在基板上的金屬催化劑粒子的設(shè)置上進(jìn)行操作來允許碳納米管的設(shè)置的選擇，從所述 粒子的位置處唯一地發(fā)生納米管的生長。
[0076] 利用這種集流器類型，將通過將碳納米管穿過彈性聚合物層來完成按壓步驟，以 便碳納米管與電極接觸。
[0077] 對于部分的電極而言，當(dāng)電極沒有預(yù)先存在時(shí)，在按壓步驟之前準(zhǔn)備電極。
[0078] 作為實(shí)例，當(dāng)電極由包括硅和碳納米管的合成材料組成時(shí)，通過以下連續(xù)步驟來 準(zhǔn)備電極：
[0079] -可選的在粘合劑（例如，藻朊酸鹽）存在的情況中，準(zhǔn)備包括硅和碳納米管的混 合物的步驟；
[0080] -例如通過熱處理，將這個(gè)混合物固化成電極形式的步驟。
[0081] 在按壓步驟之前，彈性聚合物層可以位于事先與電極的接觸中，由這個(gè)彈性聚合 物層與電極導(dǎo)致的組件之后被通過彈性聚合物層的表面被集流器按壓。
[0082] 根據(jù)本發(fā)明的集流器-電極組件可以被放置在鋰電池中，其中所述組件的電極將 構(gòu)成負(fù)電極。
[0083] 在隨之而來的多個(gè)循環(huán)之后，由于電極層的變形被彈性聚合物層所吸收的事實(shí)， 因此不再從集流器上剝落，用于構(gòu)成鋰電池的負(fù)電極的組件具有具體高阻的優(yōu)點(diǎn)。
[0084] 本發(fā)明還涉及包括至少一個(gè)如上文限定的組件的鋰電池。更具體地，鋰電池屬于 "鋰離子"領(lǐng)域，話句話說，鋰從來不以金屬形式存在在電池中，但是在電池的每個(gè)充電和放 電中，在包括在正電極和負(fù)電極的兩種鋰注入化合物中來來回回。
[0085] 本發(fā)明的鋰電池傳統(tǒng)上包括至少一個(gè)電化學(xué)單元，該電化學(xué)單元包括：
[0086] -如上文所限定的組件，其中，電極構(gòu)成電池的負(fù)電極；
[0087] -正電極；和
[0088]-設(shè)置在經(jīng)由電極層的所述組件與所述正電極之間的隔板，該隔板包括鋰離子
[0089] 導(dǎo)電電解質(zhì)。
[0090] 正電極可以由鋰金屬制成或可以包括從過渡金屬的鋰化磷酸鹽、過程金屬的鋰化 氧化物及其混合物中選擇的材料。
[0091] 作為可以使用的鋰化磷酸鹽的實(shí)例，可以引用LiFexlMni_ xlP04，其中，0彡Xl彡1。
[0092] 這些材料具有橄欖石型結(jié)構(gòu)。
[0093] 作為過渡金屬的鋰化氧化物的實(shí)例，可以引用層狀氧化物L(fēng)i (Co, Ni，Mn，A1)02和 Li1+xMn204，其中0彡x彡0. 1型的尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物。
[0094] 隔板可以為包括液體的多孔元件的形式，該液體包括鋰離子傳導(dǎo)液體電解質(zhì)。
[0095] 多孔元件可以為聚合物的形式，例如由聚乙烯或聚丙烯或兩者的聯(lián)合制成的聚合 物。
[0096] 液體電解質(zhì)包括例如碳酸型非質(zhì)子液體溶劑如碳酸亞乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二 甲酯或碳酸二乙酯，溶解有鋰鹽的醚型溶劑或醚型溶劑的混合物如二甲氧基乙烷、二氧戊 環(huán)、-惡燒。
[0097] 如實(shí)例那樣，鋰鹽可以從由 LiPF6、LiC104、LiBF4、LiAsF6、LiCF 3S03、LiN(CF3S02)3、 LiN(C2F5S02)構(gòu)成的組中選出。
[0098] 本發(fā)明將參考通過示例和非限制性的方式給出的【具體實(shí)施方式】來描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0099] 圖1描繪根據(jù)下文描述的【具體實(shí)施方式】的集流器-電極組件的截面圖。
[0100] 圖2描繪根據(jù)循環(huán)數(shù)量N的容量C(以mA. h/g計(jì)）的演變的圖表，曲線a對應(yīng)于 根據(jù)本發(fā)明利用組件執(zhí)行的測試，而曲線b對應(yīng)于利用非根據(jù)本發(fā)明的組件執(zhí)行的測試。

【具體實(shí)施方式】
[0101] 下文描述的實(shí)例示出所附圖1中描繪的集流器-電極組件的準(zhǔn)備，所述組件包括 堆疊，該堆疊包括鋁制成的集流器基板，鋁的一個(gè)表面上包裹有碳納米管的毯子，該基板經(jīng) 由利用毯子包裹的表面與彈性聚合物層的第一表面接觸，后者經(jīng)由與第一表面相對的第二 表面與電極層接觸。
[0102] 1)電極的形成
[0103] 首先，通過混合0· 3g的藻朊酸鹽、L 5g的硅粉（具有310nm的平均粒子尺寸）、 0. 1125g的短碳纖維（〈10 μ m)以及0. 1125g的Super P型炭黑來準(zhǔn)備油墨。
[0104] 藻朊酸鹽具有如下功能：
[0105] a)將活性材料與電子導(dǎo)體綁定；
[0106] b)使電極粘附至碳纖維管和彈性聚合物層。
[0107] 所使用的硅粉以不超過l〇nm厚度的氧化物層來鈍化，活性表面不必超過30m2/g。
[0108] 其次，通過刷涂法，將由此準(zhǔn)備的油墨沉積到乳膠-氧化鋁化合支撐物上以形成 150 μ m厚度的層，所述層被干燥然后在1000kg/cm2處被壓縮。
[0109] 乳膠-氧化鋁化合支撐物符合以下特點(diǎn)：
[0110] - 20 %乳膠和80 %氧化鋁的體積比例；
[0111] -包括在20mJ/m2和60mJ/m2之間的表面能量；
[0112] -以下孔分布：[0_200nm] = [10 % and 20 % ] ; [200nm_600nm] = [30 % and 75% ]
[0113] and[>600nm] = [5% and 60% ) 0
[0114] 最后，第三，結(jié)果組件經(jīng)歷有稍微減少氬-H2氣體混合物（3%體積的H2)存在的情 況下在700°C處的1小時(shí)的碳化步驟，從而留下電極層。這個(gè)碳化步驟使得電極不再包括有 機(jī)化合物，有機(jī)化合物由所述碳化導(dǎo)致的無定形碳來取代。這種從碳化獲得的無定形碳對 于電極結(jié)構(gòu)的鞏固有重大影響并且因此保證無定形碳的內(nèi)聚力。在碳化期間，乳膠還被熱 解機(jī)制破壞。碳化步驟后面接著在空氣中的1400°C處的1小時(shí)燒結(jié)步驟，以便使從碳化處 理剩余的氧化鋁的晶粒固化。
[0115] 2)堆疊的形成
[0116] 在之前獲得的電極層（厚度2μπι)上，通過濺射將由彈性的、絕緣的并且黏著的苯 乙烯-丁二烯乳膠制成的聚合物層沉積。
[0117] 在這個(gè)聚合層物上，通過按壓，施加包括10 μ m厚度的鋁板的集流器，該鋁板包裹 10 μ m長度的單壁的和多壁的碳納米管束，由此碳納米管穿過彈性聚合物層并且與電極層 接觸。
[0118] 一種仍然包括如所附圖1中描繪的層堆的組件，其中這個(gè)圖中記錄的參考標(biāo)號(hào)分 別代表下列元件：
[0119] -參考標(biāo)號(hào)1，代表這個(gè)實(shí)例的結(jié)尾處獲得的完整組件；
[0120] -參考標(biāo)號(hào)3,代表集流器；
[0121] -參考標(biāo)號(hào)5,代表屬于集流器的錯(cuò)基板；
[0122] -參考標(biāo)號(hào)7,代表從基板5開始的并且穿過聚合物層以便達(dá)到與電極層接觸
[0123] 的碳納米管束；
[0124] -參考標(biāo)號(hào)9,代表彈性聚合物層；以及
[0125] -參考標(biāo)號(hào)11，同樣代表電極層。
[0126] 根據(jù)紐扣電池型結(jié)構(gòu)中顯示的這個(gè)實(shí)例獲得的組件經(jīng)歷了在容量C/20(在C/20 處執(zhí)行的5小時(shí)循環(huán)測試，然后C/10上升至4. 2V并且在20°C處，在C/20下，100%容量處 循環(huán)。
[0127] 包括非根據(jù)本發(fā)明的組件的紐扣電池經(jīng)歷這個(gè)相同的測試，所述紐扣電池與上文 提到的一樣，除了組件部包括聚合物層外。
[0128] 這個(gè)非根據(jù)本發(fā)明的組件由包裹有油墨的電極形成，該油墨與沒有依靠聚合物層 的本發(fā)明的實(shí)例使用的油墨相同。
[0129] 在干燥后，電極被沖壓為14mm的直徑并且在2公噸的負(fù)載下被壓縮。粒料形狀的 這個(gè)電極與Selgard隔板粒料以及Viledon隔板粒料配合。利用三個(gè)壓力夾鐵將這種由此 形成的夾層安裝在紐扣電池中并且這個(gè)組件設(shè)置在無水套盒中以用于電解液的填充和壓 接。負(fù)電極由鋰金屬形成。在電極和集流器之間沒有注入聚合物層。
[0130] 這些循環(huán)測試的結(jié)果記錄在圖2中，該圖為示出根據(jù)循環(huán)數(shù)量N的容量C(以 mA. h/g計(jì)）的演變的圖表，曲線a對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明利用組件執(zhí)行的測試，而曲線b對應(yīng)于 利用非根據(jù)本發(fā)明的組件執(zhí)行的測試。
[0131] 對于利用非根據(jù)本發(fā)明的組件執(zhí)行的測試而言，當(dāng)循環(huán)的數(shù)量增加時(shí)，容量下降 的非?？欤@不是利用根據(jù)本發(fā)明的組件執(zhí)行的測試的情況。
【權(quán)利要求】
1. 一種包括集流器和電極的組件，該電極包括元素形式的硅，所述組件特征在于，所述 集流器和所述電極經(jīng)由它們的表面中的至少一個(gè)通過彈性聚合物層連接在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述彈性聚合物層包括從熱塑性聚合物、熱固性 聚合物、彈性體及其混合物中選出的一種或多種聚合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述熱塑性聚合物選自聚烯烴、聚苯乙烯。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所處的組件，其中，所述彈性體聚合物選自天然橡膠、合成橡膠、苯 乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物和硅。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組件，其中，所述集流器的形式為導(dǎo)電基板，例 如金屬基板。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件，其中，所述金屬基板由選自銅、鋁、鎳及其混合物的成 分制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的組件，其中，在所述導(dǎo)電基板的一個(gè)表面上包裹有一束碳 納米管，所述束穿過所述彈性聚合物層，以與電極接觸。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組件，其中，所述電極包括碳材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的組件，其中，所述碳材料為炭黑，活性碳，單壁的、雙壁或多壁 的碳納米管，碳纖維，石墨烯，球殼狀碳分子及其混合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的組件，其中，硅和碳材料以"核-殼"型結(jié)構(gòu)的形式來組織它 們自身，核由碳材料構(gòu)成，并且殼由硅構(gòu)成，或者反之亦然。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的組件，其中，所述電極包括"核-殼"型結(jié)構(gòu)，其中： 核由碳納米管構(gòu)成，并且殼由硅構(gòu)成；或者 核由硅構(gòu)成，并且殼由石墨烯或球殼狀碳分子構(gòu)成。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組件，包括： 在其中一個(gè)表面上包裹有一束碳納米管的鋁基板以作為集流器； 由包括硅和碳材料的合成材料制成的電極以作為電極； 所述碳納米管束穿過聚合物層，以與所述電極接觸。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組件，其中，所述電極為鋰電池的負(fù)電極。
14. 一種包括至少一個(gè)電化學(xué)單元的鋰電池，所述電池包括： -根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求13中的任一項(xiàng)所限定的組件，其中，所述電極構(gòu)成電池的 負(fù)電極； 正電極；和 經(jīng)由電極層設(shè)置在所述組件和所述正電極之間的隔板，所述隔板包括鋰電子導(dǎo)電電解 質(zhì)。
【文檔編號(hào)】H01M10/052GK104094459SQ201380008450
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月7日
【發(fā)明者】帕斯卡爾·蒂凱, 塞巴斯蒂安·多內(nèi), 萊昂內(nèi)爾·菲約爾 申請人:原子能與替代能源委員會(huì)