用于獲得高性能硅陽極的納米復合涂層的制作方法
【專利說明】用于獲得高性能括陽極的納米復合涂層
[0001] 領域 本公開設及裡離子電化學裝置的高性能含娃電極，其中該含娃電極包含納米復合表面 涂層W防止容量衰減和提高長期性能，并設及在含娃電極上制造此類涂層的方法及其使用 方法。
[000引背景 該一節(jié)提供與本公開有關的背景信息，其不一定是現(xiàn)有技術。
[0003] 高能量密度電化學電池，如裡離子電池組可用于各種消費品和車輛，如混合動力 汽車（肥V)和電動車（EV)。典型的裡離子電池組包含第一電極(例如陰極)、第二電極(例如 陽極)、電解質(zhì)材料和隔膜。通常電連接一堆裡離子電池組電池W提高總輸出。傳統(tǒng)裡離子 電池組通過在負極與正極之間可逆?zhèn)魉脱e離子來工作。在負極與正極之間安置隔膜和電解 質(zhì)。電解質(zhì)適合傳導裡離子并可W是固體或液體形式。裡離子在電池組充電過程中從陰極 (正極）移向陽極(負極）并在電池組放電時反向移動。
[0004] 陽極和陰極材料與電解質(zhì)的接觸可W在電極之間形成電位。當在電極之間的外電 路中生成電流時，通過電池組的電池內(nèi)的電化學反應維持該電位。堆內(nèi)的負極和正極各自 連向集流體(通常是金屬，如用于陽極的銅和用于陰極的侶)。在電池組使用過程中，與該兩 個電極相關聯(lián)的集流體通過外電路連接W使由電子生成的電流在電極之間傳送W補償裡 離子的傳送。
[0005] 許多不同材料可用于形成裡離子電池組的部件。作為非限制性實例，裡電池組的 陰極材料通常包含可被裡離子嵌入的電活性材料，如裡-過渡金屬氧化物或尖晶石類型的 混合氧化物，例如包括尖晶石LiMri2〇4、LiCo〇2、LiNi〇2、LiMni.sNi。.5〇4、LiNi(i-n)C〇xMy〇2(其中 0<x<l，y<l且M可W是Al、Mn等）或磯酸裡鐵。電解質(zhì)通常含有可在非水溶劑中溶解和電 離的一種或多種裡鹽。負極通常包括嵌裡材料或合金宿主材料。
[0006] 用于形成陽極的典型的電活性材料包括裡-石墨插層化合物、裡-娃插層化合物、 裡-錫插層化合物、裡合金。盡管石墨化合物最常見，但最近對具有高比容量(與傳統(tǒng)石墨 相比）的陽極材料越來越感興趣。例如，娃具有已知最高的理論裡充電容量，W使其是用于 可再充電裡離子電池組的最有前途的材料之一。但是，當前的含娃陽極材料具有嚴重的缺 點。含娃材料在裡嵌/脫（insertion/extraction)(例如嵌入（intercalation)和脫出 (deintercalation))過程中的大體積變化(例如體積膨脹/收縮）造成陽極開裂、電化學循 環(huán)性能衰退和降低的庫侖充電容量(容量衰減）W及極其有限的循環(huán)壽命。
[0007]希望開發(fā)克服了阻礙它們廣泛商業(yè)應用（尤其是在車輛用途中）的現(xiàn)有缺點的用 于高功率裡離子電池組的含娃高性能負極材料。為了長期和有效使用，含娃陽極材料應該 能夠使容量衰減最小化和使充電容量最大化W在裡離子電池組中長期使用。
[000引 概述 該一節(jié)提供本公開的一般概述并且不是其完整范圍或其所有特征的全面公開。
[0009] 在某些變體中，本公開提供電化學電池，如裡離子電池組的電極。該電極可W是負 極/陽極（negativeanode)。該電極包含娃。該電極進一步包含在該電極的一個或多個表 面區(qū)域上形成的涂層。該涂層可包含碳和含有選自鐵（Ti)、侶（Al)、錫（Sn)及其組合的金 屬的金屬氧化物。
[0010] 在另一些變體中，本公開提供裡離子電化學電池。該電化學電池包含含娃負極。該 負極進一步具有在它的一個或多個表面區(qū)域上形成的表面涂層。該表面涂層包含碳和含有 選自鐵（Ti)、侶（A1)、錫（Sn)及其組合的金屬的金屬氧化物。正極包含正極裡基電活性材 料。該電化學電池還包含隔膜和電解質(zhì)。負極上的表面涂層提供在裡離子電化學電池的負 極中的25次裡離子嵌脫循環(huán)后小于或等于大約10%的庫侖容量損失。
[0011] 在再一些方面中，本公開提供制造電化學電池的負極的方法。該方法包括向含娃 電極材料的一個或多個表面區(qū)域施加包含碳和含有選自鐵（Ti)、侶（A1)、錫（Sn)及其組合 的金屬的金屬氧化物的表面涂層。在某些方面中，施加的表面涂層超薄，具有小于或等于大 約100納米，任選小于或等于大約90納米，任選小于或等于大約80納米，任選小于或等于 大約70納米，任選小于或等于大約60納米，任選小于或等于大約50納米，任選小于或等于 大約40納米，任選小于或等于大約30納米，任選小于或等于大約20納米，任選小于或等于 大約10納米和在某些變體中任選小于或等于大約5納米的厚度。在某些方面中，施加的表 面涂層超薄，具有大于或等于大約3納米和小于或等于大約100納米的厚度。
[0012] 本申請設及W下山-巧2]:
[1].電化學電池的電極，其包含： 在含娃電極的一個或多個表面區(qū)域上形成的涂層，其中所述涂層包含碳和含有選自鐵 (Ti)、侶（A1)、錫（Sn)及其組合的金屬的金屬氧化物。
[0013] 巧].[1]的電極，其中所述金屬氧化物選自；氧化鐵、氧化侶、氧化錫及其組合。
[0014] 巧].山的電極，其中所述金屬氧化物包含二氧化鐵們〇2)。
[0015] [4].山的電極，其中所述涂層的厚度小于或等于大約60納米。
[0016] [5]. [1]的電極，其中所述涂層包含沉積在所述電極的一個或多個表面區(qū)域上的 多孔碳層和沉積在所述多孔碳層上的金屬氧化物。
[0017] [6].[引的電極，其中所述多孔碳層的厚度小于或等于大約55納米，且所述金屬 氧化物的厚度小于或等于大約5納米。
[001引 [7]. [1]的電極，其中所述電極包含娃涂布的纖維，其中所述纖維選自：碳纖維、 氧化侶（Al2〇3)纖維、氧化鐵（Ti〇2)纖維及其組合。
[0019] 巧].山的電極，其中所述電極包含娃涂布的碳纖維。
[0020] 巧].裡離子電化學電池，其包含： 包含娃并具有在其一個或多個表面區(qū)域上形成的表面涂層的負極，其中所述表面涂層 包含碳和含有選自鐵（Ti)、侶（A1)、錫（Sn)及其組合的金屬的金屬氧化物； 包含正極裡基電活性材料的正極； 隔膜郝 電解質(zhì)；其中負極上的所述表面涂層提供在裡離子電化學電池的負極中的25次裡離 子嵌脫循環(huán)后小于或等于大約10%的庫侖容量損失。
[0021] [10]. [9]的裡離子電化學電池，其中所述金屬氧化物選自：氧化鐵、氧化侶、氧化 錫及其組合。
[0022] [11]. [9]的裡離子電化學電池，其中所述金屬氧化物包含二氧化鐵（Ti化）。
[0023] [12], [9]的裡離子電化學電池，其中所述涂層的厚度小于或等于大約60納米。
[0024] [13]. [9]的裡離子電化學電池，其中所述表面涂層包含沉積在所述負極的一個 或多個表面區(qū)域上的多孔碳層和沉積在所述多孔碳層上的金屬氧化物。
[002引 [M]. [9]的裡離子電化學電池，其中所述負極包含娃涂布的纖維，其中所述纖維 選自；碳纖維、氧化侶（Al2〇3)纖維、氧化鐵（Ti化）纖維及其組合。
[0026] [1引.[9]的裡離子電化學電池，其中所述負極包含娃涂布的碳纖維。
[0027] [16].制造電化學電池的負極的方法，所述方法包括： 向含娃電極材料的一個或多個表面區(qū)域施加包含碳和含有選自鐵（Ti)、侶（A1)、錫 (Sn)及其組合的金屬的金屬氧化物的表面涂層，其中所述施加的表面涂層具有小于或等于 大約60納米的厚度。
[002引 [17]. [16]的方法，其中所述施加法選自；原子層沉積（ALD)、物理氣相沉積 (PVD)、化學氣相沉積（CVD)、化學氣相滲透、濕化學及其組合。
[0029] [18]. [16]的方法，其中所述施加包括兩個分開的步驟，其中首先向所述電極材 料的一個或多個表面區(qū)域施加碳，其次在碳上施加金屬氧化物。
[0030] [19], [16]的方法，其中所述施加包括向所述電極材料的一個或多個表面區(qū)域同 時施加碳和金屬氧化物。
[003U巧0]. [16]的方法，其中所述施加法是使用四氯化鐵們化）和水的前體在所述 電極材料上形成二氧化鐵（Ti化）涂層的原子層沉積（ALD)。
[0032] 巧1], [16]的方法，其中所述電極材料包含在預制電極層中并向所述預制電極層 的至少一個表面施加表面涂層。
[0033] [22]. [16]的方法，其中所述電極材料包含多個粒子W將表面涂層施加到隨后形 成負極的所述多