CN102054962A - 包括嵌入式可压缩或形变元件的电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括嵌入式可压缩或形变元件的电极。一个示例性实施例包括一种电极，该电极包含嵌入式的可压缩或形变元件。

Description

包括嵌入式可压缩或形变元件的电极
技术领域
本发明公开的领域总体涉及包括嵌入式可压缩或形变元件的电极、包含该电极的产品和制造及应用该电极的方法。
背景技术
电极已应用于各种用途，例如但不限于，锂离子电池及燃料电池。
发明内容
一个示例性实施例包括一种电极，该电极具有构建和设置成在电极中插入锂时减小尺寸或者改变形状的嵌入式可压缩或形变元件。
另一示例性实施例包括一种包含电极的产品，该电极包括用于存储锂的活性材料和导电微球。
本发明的其它示例性实施例在接下来的详细描述中会变得清晰。在揭露本发明的示例性实施例时，应该理解的是详细说明和具体实施例仅限于说明的目的，并不意于限制本发明的范围。
本发明进一步提供了以下技术方案。
方案1.一种产品，包括：
第一电极，该第一电极包含嵌入式的可压缩或形变元件，所述元件构造和设置成减小尺寸或改变形状以适应于将锂插入到电极中，从而减小电极扩张。
方案2.如方案1所述的产品，其中元件包含导电微球。
方案3.如方案1所述的产品，其中第一电极进一步包括锂离子能够从中移入或移出的活性材料。
方案4.如方案3所述的产品，其中活性材料包括硅。
方案5.如方案3所述的产品，其中活性材料包括碳。
方案6.如方案3所述的产品，其中活性材料包括二氧化钴、镍-钴-锰、镍-钴-铝、氧化镁尖晶石、磷酸铁、磷酸锰金属间化合物活性和非活性成分或氟化物中的至少一种。
方案7.如方案2所述的产品，其中导电微球包含导电聚合物。
方案8.如方案2所述的产品，其中导电微球包含聚合物和分散在聚合物中的导电微粒。
方案9.如方案2所述的产品，其中导电微球包含聚合物壳和覆盖在所述壳上的导电材料层。
方案10.如方案9所述的产品，其中导电层包含石墨、镍、硅、金、铝、银、铜、铂、钯或钌中的至少一种。
方案11.如方案2所述的产品，其中微球包含俘获于其中的气体。
方案12.如方案3所述的产品，其中在电极中实质上无锂离子时，微球具有第一形状，且其中微球具有足够的柔性，从而在锂离子迁移进入电极时，微球压缩为第二形状，并且在锂离子移出电极时，微球具有足够的回弹性从而返回第一形状或实质上的第一形状。
方案13.如方案3所述的产品，进一步包含第二电极。
方案14.如方案13所述的产品，进一步包括设置在第一电极和第二电极之间的多孔分离器，多孔分离器被构造和设置成允许锂离子从中穿过且阻止第一电极和第二电极之间产生电连接。
方案15.如方案14所述的产品，进一步包含促进锂离子穿过多孔分离器从第一电极运动到第二电极以及穿过多孔分离器从第二电极运动到第一电极的电解质。
方案16.如方案2所述的产品，其中微球包含聚合物壳和覆盖壳之上的催化剂。
方案17.如方案16所述的产品，其中催化剂包含铂、钯或钌中的至少一种。
方案18.如方案16所述的产品，进一步包括包含置于第一电极和第二电极之间的催化剂和质子交换膜的第二电极。
方案19.如方案1所述的产品，进一步包括第二电极以及置于第一电极和第二电极之间的质子交换膜。
方案20.一种产品，包括：
包含活性材料和导电微球的第一电极，活性材料包括碳或硅中的至少一种；
包括活性材料和导电微球的第二电极，活性材料包含二氧化钴、镍-钴-锰、镍-钴-铝、氧化锰尖晶石、磷酸铁、磷酸锰金属间化合物活性和非活性成分或金属氟化物中的至少一种；
置于第一电极和第二电极之间的绝缘多孔分离器，其被构造和设置为允许锂离子从其通过；
促进锂离子从第一电极向第二电极运动以及从第二电极向第一电极返回的电解质；
其中，当电极中不存在锂离子时，第一电极和第二电极的每一个中的导电微球在电极中具有第一形状，且具有足够的柔性以在锂离子移入电极时被压缩，并且具有足够的回弹性以在锂离子移出电极时返回第一形状。
附图说明
根据详细描述和附图，可以更充分理解本发明的示例性实施例。
附图1是根据发明一个示例性实施例的圆柱形锂离子电池的一个实施例的部分打开的截面图。
附图2是根据本发明一个示例性实施例的包括存储锂的活性材料及第一构造形式的多个微球的锂离子电池电极的一部分的截面图。
附图3根据本发明的一个示例性实施例示出了附图2的锂离子电池电极，其中锂存储在活性材料上使得微球被压缩为第二构造。
附图4示出了与包含微球的电极组装在一起的燃料电池电极膜。
具体实施方式
以下实施例的描述仅限于实质上的示例性(说明性)描述，并不意于限制发明及其应用或使用。
本发明的一个实施例包括一种电极，其具有构造和设置成在电极中插入锂时减小尺寸或者改变形状以从而减小电极扩张的嵌入式可压缩或形变元件。这些元件可以包括，但是并不限于，导电微球。所述电极可具有各种应用，包括但不限于，锂离子电池及燃料电池
附图1示出移除了部分及内部暴露的锂离子电池10的一个示例性实施例。锂离子电池10可以包括由分离器16间隔开的负极12和正极14。负极接头18可以与负极12连接，且正极接头20可以与正极14连接。负极12、分离器16和正极14可装入电池盒22，例如钢，能够使得负极端子24与负极接头18接触，正极端子26与正极接头20接触。这种电池可以包括液态或凝胶形式的电解质。
在分离器16阻止接触和可能的短路的情况下，负极12和正极14通常彼此非常紧密。当电池连接负载，例如马达时，包含锂的负极12中的离子化元素移向相对的电极，即正极14。离子(锂)运动穿过电解质和分离器16。到达正极14的离子与来源于负极的电子结合。电子流过外部电路，包括负载。在再充电期间，电流被迫使进入电池，使上述步骤倒置。
如果没有使用固态电解质，那么就利用分离器。分离器16通常是置于负极12和正极14之间的在液态电解质、凝胶电解质或熔盐电池中的多孔片。当其作为电解质贮存器以实现自由离子传输时，分离器16的功能是阻止正极14和负极12的物理接触。在一些实施例中，分离器16可以包括微孔膜和非纺织布。微孔膜包括微尺寸孔穴同时非纺织布的纤维也形成大量孔穴。微孔膜通常可具有大约25μm或更小的厚度、小于1μm的小孔尺寸和大约40％的孔隙率。在一个实施例中，非纺织布可以具有范围大约80-30μm的厚度、大的孔尺寸10-50μm和孔隙率60-80％。
天然聚合物和合成聚合物都可以作为分离器材料。天然材料可以包括纤维素及其化学改性衍生物。合成聚合物包括聚烯烃、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚酯、聚氯乙烯、尼龙、聚(乙烯对苯二酸盐)等。分离器16本身并不参与任何电化学反应，然而其性质影响能量密度、功率密度及循环寿命。
负极12和正极14通常都包括活性材料28导电稀释剂及粘合剂30。负极12和正极14都包括锂可以从中移入或移出的材料。锂从负极12和正极14运动的过程被称为插入或嵌入，锂移出负极12或正极14的反向过程被称为抽离或释放。当电池放电时，锂自发地离开负极12并与正极14发生反应。当电池充电时，发生反向步骤：锂从正极14抽离并插入负极12。
各种活性材料可应用于正极14，包括，但并不限于，二氧化钴、镍-钴-锰、镍-钴-铝、氧化镁尖晶石、磷酸铁、磷酸锰金属间化合物活性和非活性成分或金属氟化物。
负极12可以包括，但并不限于，碳化锂、硅化锂或金属与锂的合金。根据一个实施例，负极12或正极14中的至少一个也可以包括导电微球32。导电微球32可以包括导电聚合物、含有导电微粒的聚合物，但并不限于石墨、硅或涂敷有导电材料的聚合物。导电聚合物可以包括，但并不限于，基于sp2杂化直线碳链的半导体和金属“有机”聚合物。导电聚合物的例子包括，但不限于，聚(乙炔)(poly(acetoyline)，)、聚(吡咯)(poly(puirrole))，聚(噻吩)(poly(thiopatene))、聚(苯胺)、聚(氟)、聚(3-烷基噻吩)、聚(连四硫酸亚甲基环戊二烯)(poly(tetrathiafulvalene))、聚(萘)、聚(p-硫化亚苯基)、聚(对-亚苯基乙烯撑)(poly(para-phenylene vinylene))及它们的衍生物。替代地，能够通过掺入导电材料，例如，但不限于，包含石墨、镍、铜、银、金的微粒，而使绝缘聚合物导电。
在另一实施例中，通过沉积单层或多层单元子材料如铂、银、金、钯或钌，或者沉积所述元素的多原子层，微球可以制作为导电的。也可以在微球上沉积石墨。在另一实施例中，导电涂层的厚度范围可为1个原子或2个原子至10个原子的厚度，或者厚度范围是大约几埃到大约几纳米。
可以通过多种方法的任一种制作微球。在一个例子中，聚合物溶液可被强迫通过空气喷嘴中的针体，空气喷嘴产生充满喷射空气的膜囊，其可以在浴糟，例如CaCl2水溶液中硬化。在另一例子中，混合挤压气体和液体，借助于三联桶型头，气泡可以被引入膜囊中，其中空气被注入中央毛细管，而聚合物溶液被驱使通过与毛细管共轴设置的较大的管，且空气围绕该毛细管流动，该毛细管具有围绕第二管的心轴。在另一例子中，通过使用均质器或声波处理，气体可以在喷射前被俘获在聚合物溶液中。所制成的微球可具有各种不同的直径，例如，但不限于，30-100μm范围内的直径。电极粘合剂的示例性实施例包括，但不限于，氟聚合物如氟化聚乙烯基树脂(polyvinylilene fluoride，PFDF)。
现在参考图2，包括存在于粘合剂30中的活性材料28的负极12或止极14中的至少一个可以用于微球32。如图2所示，当负极12或正极14不包含插入其中的大量锂离子时，微球具有微球未被压缩时的第一构造或形状。现在参考图3，当锂离子插入其中具有微球32的负极或正极时，微球32具有足够的柔性且压缩为第二构造或形状以适应锂的插入，使得负极或正极不被锂的插入所损坏。当锂离子移出电极时，微球32具有足够的回弹性以回到第一形状或实质第一形状。在其中俘获的空气可以提高微球的回弹性。在一个实施例中，活性材料的锂存储容量远大于碳的锂存储容量，使得微球的作用非常有利。这样一种材料可以包括但不限于硅，从而硅粒子在锂插入到Li3.75时的扩张为大约300％，然而碳在锂插入到Li1/6C时的扩张为10％。
在一个实施例中，微球在包括存在于粘合剂28中的活性材料28的电极12，14中的重量比例范围(没有Li)可以为从大约小于1个百分点到大约数个百分点。活性材料28的重量百分比(没有Li)可以从大约大于70％到大约接近100％。
锂离子电池可以包括电解质液体或凝胶。电解质的活性种类可以包括锂金属盐溶剂。代表性的锂盐包括，但并不限于，具有通式LiX的盐，这里X是阴离子如CLO4 -、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、CH3CO2 -、CF3SO3 -、C(CF3SO2)2 -、C(CF3SO2)2 -及它们的混合物。示例性的溶剂包括，但不限于，碳酸丙烯(PC)、碳酸乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲基乙脂(EMC)和γ-丁内酯(GBL)。锂盐在电解质中的浓度可以为，但不限于，0.5-1.5M。
在另一应用中，燃料电池的负极40和/或正极42可以包含导电微球。使用膜44的需要水合的燃料电池在燃料电池的寿命期间经历多次的水合/失水循环，其中邻近阳极40和阴极42设置的膜膨胀和收缩。这种运动能够使得负极40和正极42破裂。在随后的水合/失水循环期间，膜在该破裂处可能变得紧缩，有时会导致在膜上形成使得电池失效的针孔。包含微球可以减小或消除电极破裂的形成和膜针孔的形成。微球可以涂敷有导电材料。在一个实施例中，导电材料也可以是催化剂，例如，但不限于，铂、钯或钌。燃料电池的负极40或正极42中的任一个也可以包括离聚物粘合剂和附加支撑或无支撑的催化剂。
上述发明实施例的描述实质上仅是范例性的，因而，其变形不能认为脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种产品，其包括：
第一电极，该第一电极包含嵌入式的可压缩或形变元件，所述元件构造和设置成减小尺寸或改变形状以适应于将锂插入到电极中，从而减小电极扩张。
2.如权利要求1所述的产品，其中元件包含导电微球。
3.如权利要求2所述的产品，其中导电微球包含聚合物和分散在聚合物中的导电微粒。
4.如权利要求2所述的产品，其中导电微球包含聚合物壳和覆盖在所述壳上的导电材料层。
5.如权利要求4所述的产品，其中导电层包含石墨、镍、硅、金、铝、银、铜、铂、钯或钌中的至少一种。
6.如权利要求2所述的产品，其中微球包含俘获于其中的气体。
7.如权利要求1所述的产品，其中在电极中实质上无锂离子时，微球具有第一形状，且其中微球具有足够的柔性，从而在锂离子迁移进入电极时，微球压缩为第二形状，并且在锂离子移出电极时，微球具有足够的回弹性从而返回第一形状或实质上的第一形状。
8.如权利要求2所述的产品，其中微球包含聚合物壳和覆盖壳之上的催化剂。
9.如权利要求8所述的产品，其中催化剂包含铂、钯或钌中的至少一种。
10.一种产品，包括：
包含活性材料和导电微球的第一电极，活性材料包括碳或硅中的至少一种；
包括活性材料和导电微球的第二电极，活性材料包含二氧化钴、镍-钴-锰、镍-钴-铝、氧化锰尖晶石、磷酸铁、磷酸锰金属间化合物活性和非活性成分或金属氟化物中的至少一种；
置于第一电极和第二电极之间的绝缘多孔分离器，其被构造和设置为允许锂离子从其通过；
促进锂离子从第一电极向第二电极运动以及从第二电极向第一电极返回的电解质；
其中，当电极中不存在锂离子时，第一电极和第二电极的每一个中的导电微球在电极中具有第一形状，且具有足够的柔性以在锂离子移入电极时被压缩，并且具有足够的回弹性以在锂离子移出电极时返回第一形状。
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