本公開涉及一種包括多孔電極涂層的陽(yáng)極電極及其制備方法，其中，所述多孔電極涂層能夠使膨脹硅顆粒膨脹到孔中。

背景技術(shù)：

1、電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置，諸如鋰離子電池，可以用于為諸如玩具、消費(fèi)電子產(chǎn)品和機(jī)動(dòng)車輛的各種物品供電。通常，電池包括兩個(gè)電極，以及電解質(zhì)組件和/或隔膜。兩個(gè)電極中的一個(gè)通常用作正極電極或陰極，而另一個(gè)電極用作負(fù)極電極或陽(yáng)極。電化學(xué)電池單元可大致分為一次電池和二次電池。一次電池，也稱為一次性電池，旨在被使用直到耗盡，之后它們簡(jiǎn)單地用新電池替換。二次電池，更通常地被稱為可再充電電池，采用特定的化學(xué)成分，其允許這樣的電池被重復(fù)地再充電和再使用。

2、可再充電電池可以呈固體形式、液體形式或固體-液體混合形式。隔膜和/或電解質(zhì)可設(shè)置在負(fù)極電極和正極電極之間。在可再充電鋰離子電池中，電解質(zhì)通常用于在電極之間傳導(dǎo)鋰離子。通常，鋰離子電池通過(guò)在負(fù)極電極和正極電極之間可逆地來(lái)回傳遞鋰離子來(lái)工作。例如，鋰離子可在電池的充電期間從正極電極移動(dòng)到負(fù)極電極，而在電池放電時(shí)沿相反方向移動(dòng)。電池電極反復(fù)插入其相應(yīng)結(jié)構(gòu)中和從其中提取鋰離子的能力決定了電池單元的實(shí)際長(zhǎng)期充電容量。

3、能量密度描述了電池包含多少與電池的重量成比例的能量。較高的能量密度反映了電池輸送能量的較高容量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、提供了一種用于鋰離子電池單元的陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極包括硅和多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層。所述陽(yáng)極電極包括：包括集電器的電極基底；以及多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層。電極涂層包括：包括石墨的表面材料，其中所述表面材料包括多個(gè)球形凹陷；碳顆粒；以及多個(gè)硅顆粒，所述多個(gè)硅顆粒附著到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁。所述球形凹陷被配置用于在所述硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)接收所述多個(gè)硅顆粒的膨脹。

2、在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括所述多個(gè)硅顆粒的一部分。當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于未鋰化狀態(tài)時(shí)，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括是處于未鋰化狀態(tài)的硅顆粒的體積的至少三倍的內(nèi)部體積。

3、在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)硅顆粒中的每一者永久地結(jié)合到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁，使得所述多個(gè)硅顆粒通過(guò)所述鋰化狀態(tài)和所述未鋰化狀態(tài)保持與所述表面材料導(dǎo)電接觸。

4、在一些實(shí)施例中，所述多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層摻雜有氮、磷、銀、錫、鋰合金化材料或?qū)щ娫右詫⒐桢^定到表面材料上。

5、在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)，與當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于未鋰化狀態(tài)時(shí)所述陽(yáng)極電極的體積相比，所述陽(yáng)極電極在體積上膨脹至少5％。

6、根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例，提供了一種電池單元，包括用于鋰離子電池單元的陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極包括硅和多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層。所述電池單元包括陽(yáng)極電極。陽(yáng)極電極包括：包括集電器的電極基底；以及多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層。電極涂層包括具有石墨的表面材料。所述表面材料包括多個(gè)球形凹陷、碳顆粒、以及多個(gè)硅顆粒，其附著到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁。所述球形凹陷被配置用于在所述硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)接收所述多個(gè)硅顆粒的膨脹。所述電池單元還包括陰極電極和電解質(zhì)。

7、在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括所述多個(gè)硅顆粒的一部分。當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于未鋰化狀態(tài)時(shí)，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括是處于未鋰化狀態(tài)的硅顆粒的體積的至少三倍的內(nèi)部體積。

8、在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)硅顆粒中的每一者永久地結(jié)合到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁，使得所述多個(gè)硅顆粒通過(guò)鋰化狀態(tài)和未鋰化狀態(tài)保持與所述表面材料導(dǎo)電接觸。

9、在一些實(shí)施例中，多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層摻雜有氮、磷、銀、錫或其它鋰合金化材料或?qū)щ娫右詫⒐桢^定到表面材料上。

10、根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例，提供了一種制造用于鋰離子電池單元的陽(yáng)極電極的方法，該陽(yáng)極電極包括硅和多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層。該方法包括：將多個(gè)硅顆粒附著到多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者，所述多個(gè)低溫燃盡顆粒被配置用于由于燃盡過(guò)程(burnoutprocess)而蒸發(fā)。該方法還包括：產(chǎn)生混合物。所述混合物包括：多個(gè)低溫燃盡顆粒，每個(gè)所述低溫燃盡顆粒包括所述多個(gè)硅顆粒；聚合物材料，其被配置用于由于燃盡過(guò)程而產(chǎn)生導(dǎo)電石墨；以及碳顆粒。該方法還包括：將所述混合物作為多個(gè)活性材料顆粒施加到電極基底；以及對(duì)所述多個(gè)活性材料顆粒運(yùn)行燃盡過(guò)程。所述燃盡過(guò)程：將所述聚合物材料轉(zhuǎn)化成所述石墨以形成所述多個(gè)活性材料顆粒的導(dǎo)電表面材料；并且蒸發(fā)多個(gè)低溫燃盡顆粒，從而在表面材料中留下多個(gè)球形凹陷，多個(gè)球形凹陷中的一者用于多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者。所述燃盡過(guò)程還導(dǎo)致所述多個(gè)硅顆粒附著到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁。所述球形凹陷被配置用于當(dāng)所述硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)接收所述多個(gè)硅顆粒的膨脹。

11、在一些實(shí)施例中，將所述多個(gè)硅顆粒附著到被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者包括：將所述多個(gè)硅顆粒附著到多個(gè)聚苯乙烯泡沫球。

12、在一些實(shí)施例中，該方法還包括：在配置成使得配置成用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的低溫燃盡顆粒的體積是處于未鋰化狀態(tài)的硅顆粒的體積的至少三倍的尺寸范圍中，選擇配置成用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的多個(gè)低溫燃盡顆粒。

13、在一些實(shí)施例中，將所述多個(gè)硅顆粒附著到被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者包括：使被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒在硅塵(silicon?dust)中滾動(dòng)。

14、在一些實(shí)施例中，將所述混合物施加到所述電極基底包括：將所述混合物作為漿料施加。

15、在一些實(shí)施例中，將所述混合物施加到所述電極基底包括：通過(guò)電沉積工藝施加所述混合物。

16、在一些實(shí)施例中，將所述混合物施加到所述電極基底包括：在所述電極基底上利用真空鼓裝置以實(shí)現(xiàn)所述活性材料顆粒在所述電極基底上的期望分散并且移除過(guò)量的活性材料顆粒。

17、在一些實(shí)施例中，所述方法還包括：將所述混合物摻雜氮、磷、銀、錫、或鋰合金化原子，均用于將所述硅顆粒錨定到所述內(nèi)壁。

18、在一些實(shí)施例中，所述方法還包括：向混合物中加入粘合劑、炭黑或碳納米管。

19、本發(fā)明還包括如下方案：

20、方案1.一種用于鋰離子電池單元的陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極包括硅和多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層，所述陽(yáng)極電極包括：

21、包括集電器的電極基底；以及

22、多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層，其包括：

23、包括石墨的表面材料，其中所述表面材料包括多個(gè)球形凹陷；

24、碳顆粒；以及

25、多個(gè)硅顆粒，所述多個(gè)硅顆粒附著到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁，其中所述球形凹陷被配置用于在所述硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)接收所述多個(gè)硅顆粒的膨脹。

26、方案2.根據(jù)方案1所述的陽(yáng)極電極，其中，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括所述多個(gè)硅顆粒的一部分；以及

27、其中，當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于未鋰化狀態(tài)時(shí)，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括是處于未鋰化狀態(tài)的硅顆粒的體積的至少三倍的內(nèi)部體積。

28、方案3.根據(jù)方案1所述的陽(yáng)極電極，其中，所述多個(gè)硅顆粒中的每一者永久地結(jié)合到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁，使得所述多個(gè)硅顆粒通過(guò)所述鋰化狀態(tài)和所述未鋰化狀態(tài)保持與所述表面材料處于導(dǎo)電接觸。

29、方案4.根據(jù)方案1所述的陽(yáng)極電極，其中，所述多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層摻雜有氮、磷、銀、錫、鋰合金化材料或?qū)щ娫右詫⑺龉桢^定到所述表面材料上。

30、方案5.根據(jù)方案1所述的陽(yáng)極電極，其中，當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于所述鋰化狀態(tài)時(shí)，與當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于所述未鋰化狀態(tài)時(shí)所述陽(yáng)極電極的體積相比，所述陽(yáng)極電極在體積上膨脹在0％至5％的范圍。

31、方案6.一種電池單元，包括用于鋰離子電池單元的陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極包括硅和多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層，所述電池單元包括：

32、所述陽(yáng)極電極，其包括：

33、包括集電器的電極基底；以及

34、所述多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層，其包括：

35、包括石墨的表面材料，其中所述表面材料包括多個(gè)球形凹陷；

36、碳顆粒；以及

37、多個(gè)硅顆粒，其附著到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁，其中所述球形凹陷被配置用于在所述硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)接收所述多個(gè)硅顆粒的膨脹；

38、陰極電極；以及

39、電解質(zhì)。

40、方案7.根據(jù)方案6所述的電池單元，其中，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括所述多個(gè)硅顆粒的一部分；以及

41、其中，當(dāng)所述多個(gè)硅顆粒處于未鋰化狀態(tài)時(shí)，所述多個(gè)球形凹陷中的每一者包括是處于所述未鋰化狀態(tài)的硅顆粒的體積的至少三倍的內(nèi)部體積。

42、方案8.根據(jù)方案6所述的電池單元，其中，所述多個(gè)硅顆粒中的每一者永久地結(jié)合到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁，使得所述多個(gè)硅顆粒通過(guò)鋰化狀態(tài)和未鋰化狀態(tài)保持與所述表面材料處于導(dǎo)電接觸。

43、方案9.根據(jù)方案6所述的電池單元，其中，所述多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層摻雜有氮、磷、銀、錫或鋰合金化原子以將所述硅錨定到表面材料上。

44、方案10.一種制造用于鋰離子電池單元的陽(yáng)極電極的方法，所述陽(yáng)極電極包括硅和多孔碳質(zhì)陽(yáng)極電極涂層，所述方法包括：

45、將多個(gè)硅顆粒附著到多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者，所述多個(gè)低溫燃盡顆粒被配置用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)；

46、產(chǎn)生混合物，所述混合物包括被配置用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒、被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而產(chǎn)生導(dǎo)電石墨的聚合物材料以及碳顆粒，每個(gè)所述低溫燃盡顆粒包括所述多個(gè)硅顆粒；

47、將所述混合物作為多個(gè)活性材料顆粒施加到電極基底；

48、對(duì)所述多個(gè)活性材料顆粒運(yùn)行燃盡過(guò)程，其中所述燃盡過(guò)程：

49、將所述聚合物材料轉(zhuǎn)化成所述石墨以形成所述多個(gè)活性材料顆粒的導(dǎo)電表面材料；

50、蒸發(fā)被配置用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的多個(gè)低溫燃盡顆粒，從而在所述表面材料中留下多個(gè)球形凹陷，用于所述多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者的多個(gè)球形凹陷中的一者被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)；以及

51、導(dǎo)致所述多個(gè)硅顆粒附著到所述多個(gè)球形凹陷的內(nèi)壁；以及

52、其中所述球形凹陷被配置用于當(dāng)所述硅顆粒處于鋰化狀態(tài)時(shí)接收所述多個(gè)硅顆粒的膨脹。

53、方案11.根據(jù)方案10所述的方法，其中，將所述多個(gè)硅顆粒附著到被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者包括：將所述多個(gè)硅顆粒附著到多個(gè)聚苯乙烯泡沫球。

54、方案12.根據(jù)方案10所述的方法，還包括：在配置成使得配置成用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的低溫燃盡顆粒的體積是處于未鋰化狀態(tài)的硅顆粒的體積的至少三倍的尺寸范圍中，選擇配置成用于由于燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的多個(gè)低溫燃盡顆粒。

55、方案13.根據(jù)方案10所述的方法，其中，將所述多個(gè)硅顆粒附著到被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒中的每一者包括：使被配置用于由于所述燃盡過(guò)程而蒸發(fā)的所述多個(gè)低溫燃盡顆粒在硅塵中滾動(dòng)。

56、方案14.根據(jù)方案10所述的方法，其中，將所述混合物施加到所述電極基底包括：將所述混合物作為漿料施加。

57、方案15.根據(jù)方案10所述的方法，其中，將所述混合物施加到所述電極基底包括：通過(guò)電沉積工藝施加所述混合物。

58、方案16.根據(jù)方案10所述的方法，其中，將所述混合物施加到所述電極基底包括：在所述電極基底上利用真空鼓裝置以實(shí)現(xiàn)所述活性材料顆粒在所述電極基底上的期望分散。

59、方案17.根據(jù)方案10所述的方法，還包括：將所述混合物摻雜氮、磷、銀、錫、鋰合金化材料或?qū)щ娫右詫⑺龉桀w粒錨定到所述內(nèi)壁。

60、方案18.根據(jù)方案10所述的方法，還包括：向混合物中加入粘合劑、炭黑或碳納米管。

61、本公開的上述特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)從對(duì)用于執(zhí)行本公開的最佳模式的以下詳細(xì)描述結(jié)合附圖將變得顯而易見。