描述了一種鋰－離子電池（２０），所述鋰－離子電池具有包括納米線（１０）的陣列的陽極，所述納米線（１０）電化學涂覆有聚合物電解質（１４）且被陰極基質（１６）包圍，從而形成互穿電極，其中顯著縮短了Ｌｉ＋離子的擴散長度，這導致更快的充電／放電、更強的可逆性和更長的電池壽命。所述電池的設計適用于多種電池材料。還描述了用于在室溫下從水溶液直接電沉積Ｃｕ２Ｓｂ的方法，所述方法使用檸檬酸作為絡合劑來形成陽極的納米線的陣列。還描述了固態電解質的通過電還原聚合到膜和高長徑比的納米線陣列上形成的聚－［Ｚｎ（４－乙烯基－４’－甲基－２，２’－聯吡啶）３］（ＰＦ６）２的保形涂層，正如多種乙烯基單體的還原電聚合，例如包含丙烯酸酯官能團的那些乙烯基單體。這種材料顯示了有限的導電性，但顯著的鋰離子傳導性。陰極材料可包括氧化物，舉例來說，諸如鋰鈷氧化物、鋰鎂氧化物或鋰錫氧化物，或磷酸鹽，舉例來說，諸如ＬｉＦｅＰＯ４。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術通常涉及電池，并且更具體地涉及鋰_離子電池。
技術介紹
鋰是最輕和正電性最強的元素，這使得其非常適合于需要高能密度的應用。就 此點而言，鋰-離子(Li+)電池已經成功地使用在各種便攜式電子設備和其它電子設備 中。然而，Li+緩慢地擴散入陽極和陰極中和在兩個電極之間緩慢地擴散仍是對這些電池 的充放電速率的兩個主要限制。由于納米結構材料高的表面積對體積的比，因而已證實它們對Li+電池是有用 的，已經顯示出導致鋰化反應的可逆性更強和放電速率更大的性質。此外，因為減小了 電極材料的顆粒大小，所以已顯示出制造碳基陽極和多種常用陰極材料兩者的納米線陣 列增強了電極性能，同時維持粒與粒的電接觸，縮短了 Li+離子必須擴散的距離。具體而言，電池的充電速率/放電速率與Li+進入每一個電極的擴散速率和在陰 極與陽極之間的擴散速率有關。雖然已顯示出納米線比塊狀材料循環得更快，但是縮短 陽極電池結構與陰極電池結構之間的距離并不簡單，并且雖然納米結構的陰極/陽極先 前已使用在Li+電池中，但是這樣的使用主要是為了增大陰極或陽極或兩者的表面積對體 積的比，且因此，當鋰-離子需要在肉眼可見的分離的電極之間行進長距離時，Li+的擴 散距離仍然非常大。專利技術概述因此，本專利技術的目的是提供一種有效用于增加Li+在電池陽極和陰極之間的擴散速率的鋰-離子電池。本專利技術的另一個目的是提供一種有效用于增加Li+擴散入電池陽極和陰極的速率 的鋰-離子電池。本專利技術的另外的目的、優勢和新穎的特征將在下面的說明書中部分陳述，而部 分對于本領域技術人員來說，通過對以下內容的考察或通過本專利技術的實踐的學習將是明 顯的。使用在所附權利要求中特別地指出的工具和組合可意識到和獲得本專利技術的目的和 優勢。為達到上述目的和其它目的，并且根據本專利技術的效果，如本文所體現的和廣泛 描述的，其中鋰_離子包括以下組合陽極，所述陽極包括有效用于可逆地嵌入鋰-離子 的具有金屬間組分的電沉積的結構，所述結構與第一電極電相通；傳導鋰-離子的固態 電解質，其沉積到所述陽極的所述結構上；和陰極材料，其互穿(interpenetrating)所述陽 極的結構之間的空間，所述陰極材料與第二電極電相通。在本專利技術的另一個方面中，且根據其目的和效果，制造鋰-離子電池的方法包 括以下步驟形成陽極的步驟，所述陽極包括有效用于可逆地嵌入鋰-離子的具有金屬 間組分的電沉積的結構，所述結構與第一電極電相通；使傳導鋰-離子的固態電解質沉 積到所述陽極的所述結構上；以及使陰極材料互穿所述陽極的所述結構之間的空間，所 述陰極材料與第二電極電相通。在本專利技術的又一個方面中，并且根據其目的和效果，一種電極包括具有金屬間 組分的電沉積的結構。本專利技術的利益和優勢包括但不限于提供一種具有納米級尺寸的電池，其中，電 極是互穿的，從而比其它類型的鋰_離子電池顯著地縮短了電池的充電/放電過程中，Li+ 離子需要來回移動的距離。附圖簡述附圖結合到說明書中且形成說明書的一部分，附圖說明了本專利技術的實施方案， 并且附圖連同描述一起用來解釋本專利技術的原理。在圖中圖1A-1C說明了用于組裝本專利技術的電池的方法，其中，產生陽極的步驟包括與 導電的襯底電接觸的導電結構的陣列，此步驟在圖IA中顯示；圖IB顯示了將電解質材 料的保形涂層置于圖IA中顯示的導電結構上的步驟；以及使陰極材料互穿陽極結構之間 的步驟，陰極材料與圖IC中顯示的第二導電襯底電連接。圖2說明了有效用于脈沖電沉積Cu2Sb線的樣品方波，其中，沉積電勢(Ef)與 電沉積Cu2Sb膜中使用的電勢是相同的電勢(-1.05V對SSCE)。專利技術詳述簡單地說，本專利技術包括一種鋰-離子(Li+)電池和一種用于制造這種電池的方 法，所述鋰-離子(Li+)電池具有包括了電化學涂覆有聚合物電解質且被陰極基質包圍并 與陰極基質電相通的納米線陣列的陽極，由此形成了互穿的電極。本專利技術的電池結構通 過縮短Li+在陰極和陽極之間的擴散距離而增大了 Li+在這兩個電極之間的擴散速率。可 構造具有長的壽命且能夠快速放電的小而輕的電池。根據本專利技術的實施方案，高長徑比的納米結構(舉例來說，諸如納米線、納米 帶、納米管和納米錐)的陣列具有使一個尺寸可以比較小的尺寸(例如，線的直徑)大10至1000倍的尺寸(例如長度)，該較小的尺寸可具有納米級的尺寸，高長徑比的納米結構 的陣列可以形成在傳導性的、通常是平面的襯底上。也可形成具有小于10的長徑比的納 米棒。在下文中，術語“納米線”將作為“納米結構”的示例使用。金屬鋰在普遍使用的石墨陽極上的枝狀生長可導致電池短路，且可能引發安全 問題。因此，需要新的陽極材料和形態，其中與石墨相比，這些安全問題以及容量和充/ 放電速率都能夠得到改進。金屬間化合物提供了改進的容量、與鋰的高度可逆的反應以 及可能不如金屬鋰的沉積電勢負的鋰嵌入電勢的可能性，鋰嵌入電勢可能不如金屬鋰的 沉積電勢負的性質對于消除元素鋰在電極上的枝狀生長是有用的。使用金屬間化合物作 為陽極材料的缺點是循環期間容量的不可逆損失，這是由于大的體積變化而導致電極在 循環期間粉碎，并且因此，導致陽極和電池的余下部分之間的電接觸的損失。Cu2Sb是在 充電和放電期間不會出現大的體積變化的金屬間組分。Cu2Sb的另一個益處是其工作電勢 防止鋰金屬電鍍。Cu2Sb納米線的使用具有另外的益處具有納米級尺寸的電極通常能 夠避免因大的體積變化而粉碎，即使與具有微米級尺寸的電極相比。正如下文將要描述的，通過在溫和的條件下精確地控制組成和厚度可以將Cu2Sb 直接沉積在傳導襯底上，以及直接沉積在復雜的形狀上和深的凹陷內且具有優良的電接 觸，而不需要焊后退火。從水溶液中共沉積Cu和Sb面臨兩個挑戰在水溶液中，Cu和 Sb的還原電勢相差約130mV，且Cu的沉積優選地在負值較小的電勢下進行；并且雖然 銻鹽在酸性溶液中是可溶的，但它們在中性水溶液中會沉淀形成Sb203。由于H2是從H2O 的還原形成的，所以在不如還原Sb3+所需的電勢負的電勢下，不可能在酸性溶液中進行 Sb的電沉積。檸檬酸(C6H8O7)可用來將溶液中的Sb3+保持在酸性更弱的溶液中和/或 使其還原電勢偏移到負值較小的電勢。由于檸檬酸的三個羧酸基團和一個烴基基團，所 以其已被分別用作銅和銻的沉積溶液中的絡合劑。由溶液中的檸檬酸鹽物質得到的Sb3+ 的絡合允許pH升高而不形成Sb2O3，并且導致溶液的電化學窗口變寬并朝著更負的電勢 偏移。使用檸檬酸作為絡合劑，已經實現了從包括所需化學計算量的銅對銻(就Cu2Sb 而言)的水溶液直接電沉積金屬間組分Cu2Sb,從而增大了銻鹽的溶解度并使銅和銻的還 原電勢彼此相向偏移，并且能夠在室溫下和在pH = 6時直接沉積金屬間化合物。在銅襯 底上進行電沉積得到了均勻的、化學計量的和結晶的Cu2Sb膜。本方法的一個實施方案使用陽極氧化鋁(AAO)技術在氧化鋁襯底中形成通道陣 列。在單一的電化學電勢下，使Cu2Sb沉積到納米通道內。金屬間化合物Cu2Sb顯示了 用作Li+電池中的陽極的優良性能(a)增大的電荷儲存容量；(b)增加的充電速率和放 電速率；和(c)降低的鋰金屬電鍍到陽極上的危險。其它金屬間化合物也顯示出這些性 能并且可以同樣出色地用本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種鋰離子電池，所述鋰－離子電池包括以下組合： 陽極，其包括有效用于可逆地嵌入鋰－離子的具有金屬間組分的電沉積的結構，所述結構與第一電極電相通； 傳導鋰離子的固態電解質，其沉積到所述陽極的所述結構上；和 陰極材料，其互穿所述陽極的所述結構之間的空間，所述陰極材料與第二電極電相通。
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...
【專利技術屬性】
技術研發人員：艾米L普列托，詹姆斯M莫斯比，蒂莫西S亞瑟，
申請(專利權)人：科羅拉多州立大學研究基金會，
類型：發明
國別省市：US
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