RU161876U1 - LITHIUM ION BATTERY - Google Patents

LITHIUM ION BATTERY Download PDF

Info

Publication number
RU161876U1
RU161876U1 RU2015152832/07U RU2015152832U RU161876U1 RU 161876 U1 RU161876 U1 RU 161876U1 RU 2015152832/07 U RU2015152832/07 U RU 2015152832/07U RU 2015152832 U RU2015152832 U RU 2015152832U RU 161876 U1 RU161876 U1 RU 161876U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
active layer
lithium
negative electrode
ion battery
Prior art date
Application number
RU2015152832/07U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Аслан Юсупович Цивадзе
Владимир Николаевич Андреев
Татьяна Львовна Кулова
Александр Мордухаевич Скундин
Дмитрий Юрьевич Грызлов
Юрий Павлович Зайков
Андрей Владимирович Исаков
Юлия Ринатовна Халимуллина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН)
Priority to RU2015152832/07U priority Critical patent/RU161876U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU161876U1 publication Critical patent/RU161876U1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

1. Литий-ионный аккумулятор, содержащий положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, включающим частицы кремния, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов, отличающийся тем, что в качестве частиц кремния, включенных в активный слой отрицательного электрода, использован волокнистый кремний с поперечным размером волокон от 100 нм до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, при следующем составе активного слоя отрицательного электрода (мас. %): волокнистый кремний - 60-80, электропроводная добавка - 15-25 и связующее - 5-15.2. Литий-ионный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что использованы волокна кремния с отношением продольного к поперечному размеру, лежащим в диапазоне 0,95-1,05.1. A lithium-ion battery containing a positive electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited thereon, and a negative electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited on it, including silicon particles, a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte and placed between the opposite layers of the opposite electrodes, characterized in that as silicon particles included in the active layer of the negative electrode, fibrous silicon with a transverse fiber size is used t 100 nm to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m / g, obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt of a mixture of alkali metal halides, with the following composition of the active layer of the negative electrode (wt.%): fibrous silicon - 60-80, conductive additive - 15-25 and a binder - 5-15.2. The lithium-ion battery according to claim 1, characterized in that silicon fibers are used with a longitudinal to transverse ratio lying in the range of 0.95-1.05.

Description

Полезная модель относится к электротехнической промышленности, в частности, к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а конкретно - к литий-ионному аккумулятору, основанному на новой электрохимической системе.The utility model relates to the electrical industry, in particular, to devices for the direct conversion of chemical energy into electrical energy, and specifically to a lithium-ion battery based on a new electrochemical system.

Известны и широко распространены литий-ионные аккумуляторы, основанные на традиционной электрохимической системе [см., напр., В. Scrosati, J. Garche. Lithium batteries: Status, prospects and future. Journal of Power Sources, 2010, V. 195, P. 2419-2430); Химические источники тока: Справочник / Под редакцией Н.В. Коровина и A.M. Скундина. - М: Издательство МЭИ, 2003, с. 740]. В традиционной электрохимической системе отрицательные электроды изготавливают из графита или иного углеродного материала, положительные электроды - из литерованных оксидов кобальта, никеля или марганца, или из литерованного фосфата железа.Lithium-ion batteries based on the traditional electrochemical system are known and widely used [see, for example, B. Scrosati, J. Garche. Lithium batteries: Status, prospects and future. Journal of Power Sources, 2010, V. 195, P. 2419-2430); Chemical Current Sources: Reference / Edited by N.V. Korovin and A.M. Skundina. - M: Publishing House MPEI, 2003, p. 740]. In a traditional electrochemical system, negative electrodes are made of graphite or other carbon material, positive electrodes are made of lithium cobalt, nickel or manganese oxides, or of lithium iron phosphate.

В последнее время предпринимаются попытки использования кремния в качестве активного вещества отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. Кремний обладает способностью внедрять гораздо большее количество лития, чем графит (теоретически - в 11 раз), что позволяет повысить удельную энергию всего аккумулятора за счет снижения массы активного вещества на отрицательном электроде. Однако при внедрении лития в кремний происходит значительное, более чем трехкратное, увеличение объема. Это приводит к тому, что в циклическом процессе заряда/разряда аккумулятора объемные изменения активного материала электрода вызывают его деградацию и потерю контакта с токоотводом. Для преодоления этого недостатка было предложено использовать тонкопленочные, в том числе, многослойные электроды, изготавливаемые, например, методами магнетронного напыления или химического осаждения из газовой фазы (напр., US Pat. 6,685,804, February 3, 2004, Sanyo Electric Co., Ltd.; US Pat. 6,887,511, May 3, 2005, Sanyo Electric Co., Ltd.; US Pat. 7,192,673, March 20, 2007, Sanyo Electric Co., Ltd.; US Pat. 7,410,728, August 12, 2008, Sanyo Electric Co., Ltd.). Тонкопленочные электроды на основе кремния обладают удельной емкостью (в расчете на единицу массы активного слоя), не сильно отличающейся от теоретических значений, и хорошей циклируемостью, если толщина пленки активного материала составляет десятки или сотни нанометров. Поскольку такие активные пленки наносят на металлические подложки толщиной не менее 10 мкм, то удельная емкость в расчете на единицу площади поверхности оказывается намного меньше, чем у обычных аккумуляторов с порошковым углеродным отрицательным электродом, где толщина активного слоя составляет 40-50 мкм. Увеличение толщины кремния или кремнийсодержащего композита с целью увеличения удельной емкости на единицу площади поверхности приводит к резкому увеличению деградации при циклировании.Recently, attempts have been made to use silicon as the active substance of the negative electrodes of lithium-ion batteries. Silicon has the ability to incorporate a much larger amount of lithium than graphite (theoretically - 11 times), which allows to increase the specific energy of the entire battery by reducing the mass of the active substance on the negative electrode. However, when lithium is introduced into silicon, a significant, more than threefold, increase in volume occurs. This leads to the fact that in the cyclic process of charging / discharging the battery, volumetric changes in the active material of the electrode cause its degradation and loss of contact with the collector. To overcome this drawback, it was proposed to use thin-film, including multilayer electrodes made, for example, by magnetron sputtering or chemical vapor deposition (e.g., US Pat. 6,685,804, February 3, 2004, Sanyo Electric Co., Ltd. ; US Pat. 6,887,511, May 3, 2005, Sanyo Electric Co., Ltd .; US Pat. 7,192,673, March 20, 2007, Sanyo Electric Co., Ltd .; US Pat. 7,410,728, August 12, 2008, Sanyo Electric Co ., Ltd.). Silicon-based thin-film electrodes have a specific capacity (per unit mass of the active layer) that does not differ much from theoretical values, and good cyclability if the film thickness of the active material is tens or hundreds of nanometers. Since such active films are deposited on metal substrates with a thickness of at least 10 μm, the specific capacity per unit surface area is much less than that of conventional batteries with a carbon negative electrode, where the thickness of the active layer is 40-50 μm. An increase in the thickness of silicon or a silicon-containing composite in order to increase the specific capacity per unit surface area leads to a sharp increase in degradation during cycling.

Альтернативой электродов с сплошными тонкими пленками могли бы быть электроды из высокодисперсного кремния, изготовленные по стандартной «намазной» технологии. При этом активную массу (в виде суспензии, пасты, «чернил» и т.п.), состоящую из порошка активного материала, связующего и (при необходимости) других добавок наносят («намазывают») на подложку в виде фольги, пластины или сетки. Эта технология, вполне оправдавшая себя при изготовлении отрицательных электродов из углеродных материалов, с трудом применима для изготовления электродов из порошка кремния, именно из-за сильного расширения кремния при внедрении лития. Патентов, посвященных таким намазным электродам, гораздо меньше, чем патентов по тонкопленочным электродам. Первый такой патент, заявленный в 1997 году и опубликованный в 2000 году [US Pat. 6,042,969, March 28, 2000, Sony Corporation], был, по существу, зонтичным патентом. В нем декларировалась принципиальная возможность использования элементарного кремния, причем первый пример этого патента описывает электрод, изготовленный из порошка монокристаллического кремния с размером менее 38 мкм. (Последующие работы показали, что такой материал не выдерживает циклирования). В качестве примеров других зонтичных патентов, где возможность использования кремниевого порошка (наряду с многими другими дисперсными материалами) только декларируется, можно привести патенты: US Pat. 6,300,013, Oct. 9, 2001, Sony Corp.; US Pat. 6,432,585, Aug. 13, 2002, Canon; US Pat. 7,479,351, Jan. 20, 2009, Samsung SDI; US Pat. 7,851,086, Dec. 14, 2010, Samsung SDI; US Pat. 8,080,335, Dec. 20, 2011, Canon.An alternative to electrodes with continuous thin films could be electrodes made of finely dispersed silicon, manufactured by the standard "spread" technology. In this case, the active mass (in the form of a suspension, paste, "ink", etc.), consisting of a powder of the active material, a binder and (if necessary) other additives, is applied ("spread") onto the substrate in the form of a foil, plate or mesh . This technology, which is fully justified in the manufacture of negative electrodes from carbon materials, is hardly applicable for the manufacture of electrodes made of silicon powder, precisely because of the strong expansion of silicon during the introduction of lithium. There are much fewer patents devoted to such plated electrodes than patents for thin-film electrodes. The first such patent, filed in 1997 and published in 2000 [US Pat. 6,042,969, March 28, 2000, Sony Corporation], was essentially an umbrella patent. It declared the fundamental possibility of using elemental silicon, and the first example of this patent describes an electrode made of single-crystal silicon powder with a size of less than 38 microns. (Subsequent work showed that such material does not withstand cycling). As examples of other umbrella patents, where the possibility of using silicon powder (along with many other dispersed materials) is only declared, patents can be cited: US Pat. 6,300,013, Oct. 9, 2001, Sony Corp .; US Pat. 6,432,585, Aug. 13, 2002, Canon; US Pat. 7,479,351, Jan. 20, 2009, Samsung SDI; US Pat. 7,851,086, Dec. 14, 2010, Samsung SDI; US Pat. 8,080,335, Dec. 20, 2011, Canon.

Патенты, посвященные электродам на основе собственно мелкодисперсного кремния, предусматривают довольно сложные технологические приемы изготовления порошка, а также довольно сложную, трудоемкую и длительную специальную подготовку поверхности подложки-токоотвода. Так, в соответствии с US Pat. 8,734,991, May 27, 2014, Sanyo Electric Co. активную часть электрода готовят из порошка кремния с характерными размерами от 20 до 100 нм, синтезированного пиролизом силана при температуре 1000°C в псевдоожиженном (кипящем) слое, и дополнительно легированного бором, фосфором или мышьяком (с содержанием легирующего элемента от 0,1 до 100 ppm, т.е. от 0,00001% до 0,01%); для такого легирования порошок кремния отжигают в неокислительной атмосфере, содержащей диборан, фосфин или арсин при температуре 1000°C.Patents devoted to electrodes based on finely dispersed silicon proper include rather complicated technological methods for powder production, as well as rather complicated, laborious, and lengthy special preparation of the surface of the collector substrate. So, in accordance with US Pat. 8,734,991, May 27, 2014, Sanyo Electric Co. the active part of the electrode is prepared from silicon powder with characteristic sizes from 20 to 100 nm, synthesized by pyrolysis of silane at a temperature of 1000 ° C in a fluidized (boiling) layer, and additionally doped with boron, phosphorus or arsenic (with an alloying element from 0.1 to 100 ppm, i.e. from 0.00001% to 0.01%); for such doping, silicon powder is annealed in a non-oxidizing atmosphere containing diborane, phosphine or arsine at a temperature of 1000 ° C.

В соответствии с уже упомянутыми патентами US Pat. 7,479,351 и US Pat. 7,851,086 высокодисперсный порошок кремния готовят выщелачиванием активного компонента из сплава кремния с щелочными или щелочно-земельными металлами, бором, алюминием, цинком и т.п. Таким образом, в этом случае речь идет, скорее, о «скелетном» кремнии.In accordance with the aforementioned US Pat. 7,479,351 and US Pat. 7,851,086 highly dispersed silicon powder is prepared by leaching the active component from a silicon alloy with alkali or alkaline earth metals, boron, aluminum, zinc, etc. Thus, in this case we are talking more about skeletal silicon.

Патенты US Pat. 8,101,298, Jan. 24, 2012, Nexeon Ltd. и GB 2,464,158, 14.04.2010, Nexeon Ltd. описывают высокодисперсный порошок кремния, состоящий из цилиндрических частиц монокристаллического кремния, имеющих диаметр от 80 до 500 нм и аспектное отношение больше 40. Такие частицы получают селективным травлением кремниевой пластины с последующим отделением от подложки за счет ультразвукового воздействия.US Pat. 8,101,298, Jan. 24, 2012, Nexeon Ltd. and GB 2,464,158, 04/14/2010, Nexeon Ltd. describe a highly dispersed silicon powder consisting of cylindrical single-crystal silicon particles having a diameter of from 80 to 500 nm and an aspect ratio of more than 40. Such particles are obtained by selective etching of a silicon wafer, followed by separation from the substrate by ultrasonic treatment.

Патент US 7,597,997, Oct. 06, 2009, Panasonic Corp. предусматривает, что каждая частица порошка кремния покрыта тонким слоем олова, индия, галлия, свинца, или висмута, причем толщина этого слоя должна составлять около 10% от диаметра частицы кремния. Такое покрытие, по мнению автором, улучшает электрический контакт между частицами кремния, а также между этими частицами и токоотводом.US Pat. No. 7,597,997, Oct. 06, 2009, Panasonic Corp. provides that each particle of silicon powder is covered with a thin layer of tin, indium, gallium, lead, or bismuth, and the thickness of this layer should be about 10% of the diameter of the silicon particle. Such a coating, according to the author, improves the electrical contact between silicon particles, as well as between these particles and the collector.

В патенте ЕР 2,056,381, 06.05.2009, Panasonic Corp. предлагается для улучшения сцепления между подложкой-токоотводом и активным слоем (состоящем из кремниевого порошка) на плоской поверхности подложки создавать регулярную сетку первичных выступов высотой от 3 до 15 мкм, на поверхности которой находятся более мелкие вторичные выступы.In the patent EP 2,056,381, 05/06/2009, Panasonic Corp. It is proposed to improve the adhesion between the down conductor substrate and the active layer (consisting of silicon powder) on a flat surface of the substrate to create a regular network of primary protrusions with a height of 3 to 15 μm, on the surface of which there are smaller secondary protrusions.

Известен литий-ионный аккумулятор, содержащий нанесенные на подложки из титановой фольги, на одну из которых нанесен положительный электрод, выполненный из материала в виде пасты на основе феррофосфата лития, а на вторую отрицательный электрод, выполненный из аморфного кремния (патент РФ 128014, кл. H01M 4/12, оп. 10.05.2013 г.).Known lithium-ion battery containing deposited on a substrate of titanium foil, one of which is coated with a positive electrode made of a material in the form of a paste based on lithium ferrophosphate, and the second negative electrode made of amorphous silicon (RF patent 128014, cl. H01M 4/12, op. 05/10/2013).

Недостатком такого аккумулятора является его невысокая удельная емкость.The disadvantage of this battery is its low specific capacity.

Наиболее близким к заявленному является литий-ионный аккумулятор, содержащий положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, содержащим частицы кремния или смесь таких частиц с частицами углерода, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов (патент РФ №129301, кл. Н01М 10/52, оп. 20.06.2013)Closest to the claimed one is a lithium-ion battery containing a positive electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited thereon, and a negative electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited on it containing silicon particles or a mixture of such particles with carbon particles, a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte and placed between the active layers of unlike electrodes (RF patent No. 129301, class H01M 10/52, op. 20.06.2013)

Удельная емкость описанного в этом патенте аккумулятора с кремнийсодержащим отрицательным электродом составляет от 1,1 до 1,6 мАч/см2, и принципиально ограничена сверху. Поскольку, как следует из приведенного выше описания, удельная емкость электродов в расчете на единицу площади поверхности является ключевым показателем аккумулятора, желательно ее всемерное увеличение.The specific capacity of the battery with a silicon-containing negative electrode described in this patent is from 1.1 to 1.6 mAh / cm 2 and is fundamentally limited from above. Since, as follows from the above description, the specific capacity of the electrodes per unit of surface area is a key indicator of the battery, it is desirable to increase it in every way.

Задачей настоящей полезной модели является создание литий-ионного аккумулятора с отрицательным электродом намазной конструкции на основе высокодисперсного кремния с существенным упрощением конструкции электрода и технологии его изготовления и, в результате, с существенным повышением удельной емкости электрода в расчете на единицу площади при сохранении невысоких трудозатрат на производство аккумуляторов.The objective of this utility model is to create a lithium-ion battery with a negative electrode of the smeared design based on highly dispersed silicon with a significant simplification of the electrode design and manufacturing technology and, as a result, with a significant increase in the specific capacitance of the electrode per unit area while maintaining low labor costs for production batteries.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении удельной емкости аккумулятора при одновременном сохранении намазной технологии его изготовления, характеризующейся невысокими трудозатратами при ее применении.The technical result achieved by the utility model is to increase the specific capacity of the battery while maintaining the salted technology of its manufacture, characterized by low labor costs in its application.

Указанный технический результат достигается тем, что в литий-ионном аккумуляторе, содержащем положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, включающим частицы кремния, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов, в качестве частиц кремния, включенных в активный слой отрицательного электрода, использован волокнистый кремний с поперечным размером волокон от 100 до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м2/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, при следующем составе активного слоя отрицательного электрода (масс. %): волокнистый кремний - 60-80, электропроводная добавка - 15-25 и связующее - 5-15.The indicated technical result is achieved in that in a lithium-ion battery containing a positive electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited thereon, and a negative electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited on it, including silicon particles, a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte and placed between the active layers of unlike electrodes, fiber silicon is used as silicon particles included in the active layer of the negative electrode minutes with a transverse dimension of the fibers of from 100 to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m 2 / g obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt mixture of alkali metal halides, with the following composition of the negative electrode active layer (wt.%): silicon fiber - 60 -80, conductive additive - 15-25 and a binder - 5-15.

В частном случае, для повышения повторяемости свойств отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора от экземпляра к экземпляру, в активном слое указанного электрода могут быть использованы волокна кремния с отношением продольного к поперечному размеру, лежащем в диапазоне 0,95-1,05.In the particular case, to increase the repeatability of the negative electrode properties of the lithium-ion battery from one instance to another, silicon fibers with a longitudinal to transverse ratio lying in the range of 0.95-1.05 can be used in the active layer of the indicated electrode.

На фиг. 1 показан график изменения разрядной емкости отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора при циклировании током 250 мА/г в электролите 1 М LiPF6 в смеси этиленкарбонат-диэтилкарбонат-диметилкарбонат (в соотношении 1:1:1).In FIG. Figure 1 shows a graph of the change in the discharge capacity of the negative electrode of a lithium-ion battery during cycling with a current of 250 mA / g in a 1 M LiPF 6 electrolyte in a mixture of ethylene carbonate-diethyl carbonate-dimethyl carbonate (1: 1: 1 ratio).

На фиг. 2 показан график изменения разрядной емкости отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора при циклировании различными плотностями тока.In FIG. Figure 2 shows a graph of the change in the discharge capacity of the negative electrode of a lithium-ion battery during cycling with various current densities.

Литий-ионный аккумулятор содержит положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, включающим частицы кремния, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов.A lithium-ion battery contains a positive electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited on it, and a negative electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited on it, including silicon particles, a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte and placed between the active layers of unlike electrodes.

Отрицательный электрод имеет намазную конструкцию.The negative electrode has a spread design.

В качестве частиц кремния, включенных в активный слой отрицательного электрода, использован волокнистый кремний с поперечным размером волокон от 100 до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м2/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов. Такой материал можно характеризовать как «нановолокнистый» кремний. Содержание волокнистого кремния в активном слое отрицательного электрода составляет 60-80 масс. %. Кроме того, указанный активный слой содержит 15-25 масс. % электропроводной добавки и 5-15 масс. % связующего.As silicon particles included in the active layer of the negative electrode, fibrous silicon was used with a transverse fiber size of 100 to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m 2 / g, obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt of a mixture of alkali metal halides. Such a material can be characterized as “nanofiber” silicon. The content of fibrous silicon in the active layer of the negative electrode is 60-80 mass. % In addition, the specified active layer contains 15-25 mass. % conductive additives and 5-15 mass. % binder.

В частном случае, для повышения повторяемости свойств отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора от экземпляра к экземпляру, в активном слое указанного электрода могут быть использованы волокна кремния с отношением продольного к поперечному размеру, лежащем в диапазоне 0,95-1,05. Такие волокна из-за близости их продольных и поперечных размеров вполне можно рассматривать как «нанопорошковый» кремний. Волокна с указанным отношением продольного к поперечному размеру могут быть получены из смеси волокон различного размера, получаемой обычно в процессах электролитического восстановления кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, путем фракционирования любым известным методом, например, методом сепарации наночастиц по фракциям с использованием магнитной системы Фарадея (см. публикацию: http://electromeh.npi-tu.ru/assets/files/archive_4_2014.pdf.) или методом проточного фракционирования в поперечном силовом поле (см., например, публикацию: http://http://www.soctrade.com/laboratornoe_oborudovanie/frakcionirovanie-nanochastic.phtml) или методом фракционирования в планетарных центрифугах с вращающимися спиральными колонками, описанным, например, в диссертации кандидата химических наук Ермолина М.С. «Фракционирование нано- и микрочастиц во вращающихся спиральных колонках при анализе полидисперсных образцов»: Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, 2013. с. 67-108.In the particular case, to increase the repeatability of the negative electrode properties of the lithium-ion battery from one instance to another, silicon fibers with a longitudinal to transverse ratio lying in the range of 0.95-1.05 can be used in the active layer of the indicated electrode. Such fibers, due to the proximity of their longitudinal and transverse sizes, can be considered as “nanopowder” silicon. Fibers with a specified ratio of longitudinal to transverse size can be obtained from a mixture of fibers of various sizes, usually obtained in the processes of electrolytic reduction of silicon from a melt of a mixture of alkali metal halides, by fractionation by any known method, for example, the method of separation of nanoparticles into fractions using the Faraday magnetic system ( see publication: http://electromeh.npi-tu.ru/assets/files/archive_4_2014.pdf.) or by the method of flow fractionation in a transverse force field (see, for example, publication: http: // http: // ww w.soctrade.com/laboratornoe_oborudovanie/frakcionirovanie-nanochastic.phtml) or by the fractionation method in planetary centrifuges with rotating spiral columns, described, for example, in the dissertation of the candidate of chemical sciences MS Ermolin “Fractionation of nano- and microparticles in rotating spiral columns in the analysis of polydisperse samples”: Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry. IN AND. Vernadsky RAS, Moscow, 2013. 67-108.

Высокодисперсный кремний, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, имеет площадь удельной поверхности от 30 до 135 м2/г, что обеспечивает изготовление электродов, способных к функционированию в широком диапазоне токовых нагрузок. Получаемый по указанной технологии волокнистый высокодисперсный кремний позволяет изготавливать электроды с достаточно большим содержанием активного вещества на единице пощади, что обеспечивает повышенную емкость электродов и аккумулятора в целом.Highly dispersed silicon obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt of a mixture of alkali metal halides has a specific surface area of 30 to 135 m 2 / g, which ensures the manufacture of electrodes capable of functioning in a wide range of current loads. Obtained by the indicated technology, fibrous finely dispersed silicon allows the manufacture of electrodes with a sufficiently high content of active substance per unit of space, which provides an increased capacity of the electrodes and the battery as a whole.

Положительный электрод литий-ионного аккумулятора также может быть выполнен намазной конструкции, т.е. он содержит электропроводящую подложку в виде сетки из нержавеющей стали с приваренным к ней токовыводом. На сетку нанесен активный слой в виде пасты на основе феррофосфата лития (литированного фосфата железа). Такая паста может включать следующие ингредиенты (масс. %): феррофосфат лития - 50-95, электропроводную углеродную добавку - 2-45, связующее - 5-14, причем в качестве связующего может быть использован поливинилиденфторид.The positive electrode of a lithium-ion battery can also be made of a spread structure, i.e. it contains an electrically conductive substrate in the form of a stainless steel grid with a current output welded to it. The active layer in the form of a paste based on lithium ferrophosphate (lithiated iron phosphate) is applied to the grid. Such a paste may include the following ingredients (wt.%): Lithium ferrophosphate - 50-95, an electrically conductive carbon additive - 2-45, a binder - 5-14, and polyvinylidene fluoride can be used as a binder.

Рассмотрим пример изготовления и работы литий-ионного аккумулятора с отрицательным электродом, в котором использован высокодисперсный волокнистый кремний с поперечным размером волокон от 100 до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м2/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов (например, по известной технологии, описанной в патенте РФ №2486290, кл. С25В 1/00, оп. 27.06.2013. Аналогичные технологические процессы получения высокодисперсного кремния описаны также в патентах РФ №2399698 и №2427526)Consider an example of the manufacture and operation of a lithium-ion battery with a negative electrode, which uses highly dispersed silicon fiber with a transverse fiber size of 100 to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m 2 / g, obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt of a mixture of alkali metal halides (for example, according to the well-known technology described in RF patent No. 2486290, class С25В 1/00, op. June 27, 2013. Similar technological processes for producing highly dispersed silicon are also described in RF patents No. 2399698 and 2427526)

Пример. Порошок кремния, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов смешивали с электропроводящей добавкой (сажей) и раствором связующего (поливинилиденфторид) в N-метилпирролидоне в соотношении (70:20:10). После гомогенизации на ультразвуковой установке УЗДН-4 активную массу наносили на одну сторону сетки из нержавеющей стали с приваренным к ней токовыводом. Количество наносимого кремния было около 4,5 мг/см2, и это не является пределом. Далее электроды прессовали давлением 2 т/см2. После прессования электроды помещали в вакуумную печь и отжигали при температуре 120°C. После отжига электроды переносили в перчаточный бокс с атмосферой сухого аргона, где собирали макеты литий-ионного аккумулятора плоскопараллельной конструкции, содержащие отрицательные электроды, описанной выше конструкции, и стандартные положительные электроды с активным слоем на основе феррофосфата лития. Электроды были разделены сепаратором из нетканого полипропилена, пропитанным стандартным электролитом - раствором гексафторфосфата лития в эквиобъемной смеси этиленкарбонат-диэтилкарбонат-диметилкарбонат.Example. Silicon powder obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt of a mixture of alkali metal halides was mixed with an electrically conductive additive (carbon black) and a solution of a binder (polyvinylidene fluoride) in N-methylpyrrolidone in the ratio (70:20:10). After homogenization on an ultrasonic device UZDN-4, the active mass was deposited on one side of a stainless steel mesh with a current output welded to it. The amount of silicon applied was about 4.5 mg / cm 2 , and this is not the limit. Next, the electrodes were pressed with a pressure of 2 t / cm 2 . After pressing, the electrodes were placed in a vacuum oven and annealed at a temperature of 120 ° C. After annealing, the electrodes were transferred to a glove box with an atmosphere of dry argon, where they assembled mock-ups of a lithium-ion battery of a plane-parallel design containing negative electrodes of the design described above and standard positive electrodes with an active layer based on lithium ferrophosphate. The electrodes were separated by a non-woven polypropylene separator impregnated with a standard electrolyte - a solution of lithium hexafluorophosphate in an equivalent volume mixture of ethylene carbonate-diethyl carbonate-dimethyl carbonate.

Поскольку характеристики аккумулятора зависят от характеристик обоих электродов, то для более полной характеризации отрицательных электродов по настоящей полезной модели проводили эксперименты с трехэлектродными лабораторными ячейками, позволяющие выделить характеристики именно исследуемого отрицательного электрода. Ячейки представляли собой макеты литий-ионного аккумулятора, содержащие рабочий отрицательный электрод, выполненный так же, как описано выше, вспомогательный электрод из литиевой фольги и такой же литиевый электрод сравнения. Все электроды были разделены сепаратором из нетканого полипропилена (НПП «Уфим», Москва). В качестве электролитов использовали 1 М LiPF6 в смеси этиленкарбонат-диэтилкарбонат-диметилкарбонат (ЭК-ДЭК-ДМК) (1:1:1) и 1 М LiClO4 в смеси пропиленкарбонат-диметоксиэтан (ПК-ДМЭ) (7:3). Известно, что электроды литий-ионного аккумулятора очень чувствительны к следам влаги в неводных электролитах. Содержание воды в электролите не превышало 20 ppm. Гальваностатическое циклирование электродов проводили с помощью компьютеризированного зарядно-разрядного стенда (ООО «Бустер», Санкт-Петербург). Пределы циклирования составляли от 0.01 до 2 В. Токи циклирования составляли от 20 до 4000 мА/г кремния.Since the characteristics of the battery depend on the characteristics of both electrodes, for a more complete characterization of the negative electrodes according to the present utility model, experiments were carried out with three-electrode laboratory cells, which made it possible to isolate the characteristics of the negative electrode under study. The cells were mock-ups of a lithium-ion battery containing a working negative electrode, made in the same way as described above, an auxiliary lithium foil electrode and the same lithium reference electrode. All electrodes were separated by a nonwoven polypropylene separator (NPP Ufim, Moscow). As electrolytes, 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate-diethyl carbonate-dimethyl carbonate (EK-DEK-DMK) (1: 1: 1) and 1 M LiClO 4 in a mixture of propylene carbonate-dimethoxyethane (PC-DME) (7: 3) were used. It is known that the electrodes of a lithium-ion battery are very sensitive to traces of moisture in non-aqueous electrolytes. The water content in the electrolyte did not exceed 20 ppm. The galvanostatic cycling of the electrodes was carried out using a computerized charge-discharge stand (LLC Buster, St. Petersburg). Cycling limits ranged from 0.01 to 2 V. Cycling currents ranged from 20 to 4000 mA / g silicon.

После сборки электрохимической ячейки и заливки ее электролитом потенциал рабочего электрода составлял около 2.5 В, что соответствует бестоковому потенциалу кремния относительно металлического лития. При катодной поляризации происходило внедрение лития в кремний, при анодной поляризации происходила экстракция лития.After assembling the electrochemical cell and filling it with electrolyte, the potential of the working electrode was about 2.5 V, which corresponds to the current-free potential of silicon relative to lithium metal. During cathodic polarization, lithium was introduced into silicon; during anodic polarization, lithium was extracted.

Из графика на фиг. 1, где представлено изменение разрядной емкости электродов в процессе непрерывного циклирования на полную глубину при нагрузке 250 мА/г, следует, что деградация отрицательного электрода по настоящей полезной модели очень мала. Снижение емкости с 3-го по 19-й цикл составляет всего 0,9%, что соответствует темпу деградации 0,06% за цикл. Поскольку циклирование положительных электродов на основе феррофосфата лития протекает очень стабильно, деградация всего аккумулятора определяется именно деградацией отрицательного электрода.From the graph in FIG. 1, which shows the change in the discharge capacity of the electrodes during continuous cycling to full depth at a load of 250 mA / g, it follows that the degradation of the negative electrode according to the present utility model is very small. The decrease in capacity from the 3rd to the 19th cycle is only 0.9%, which corresponds to a degradation rate of 0.06% per cycle. Since the cycling of positive electrodes based on lithium ferrophosphate proceeds very stably, the degradation of the entire battery is determined precisely by the degradation of the negative electrode.

Из графика на фиг. 2 видно, как изменяется разрядная емкость отрицательного электрода с активным слоем, в котором использован волокнистый кремний с поперечным размером волокон от 100 до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м2/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, при циклировании с разными значениями тока заряда и разряда. Видно, что даже при нагрузке 4000 мА/г, что соответствует примерно режиму 2С, электрод вполне работоспособен, хотя его емкость составляет менее 10% от значения при нагрузке 20 мА/г. Удельная емкость в расчете на единицу площади при малых нагрузках (т.е. в мягком режиме циклирования) составляет около 9 мАч/см2, а в форсированном режиме может составлять от 2 до 5 мАч/см2, что заметно превышает показатели прототипа.From the graph in FIG. 2 shows how the discharge capacity of the negative electrode active layer, wherein silicon is used with the fibrous fiber transverse dimension of 100 to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m 2 / g obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt mixture of alkali metal halides, when cycling with different values of the charge and discharge current. It can be seen that even with a load of 4000 mA / g, which corresponds approximately to 2C mode, the electrode is quite functional, although its capacity is less than 10% of the value at a load of 20 mA / g. The specific capacity per unit area at low loads (i.e., in soft cycling mode) is about 9 mAh / cm 2 , and in forced mode it can be from 2 to 5 mAh / cm 2 , which significantly exceeds the prototype.

Из вышеописанного следует, что использование в составе активного слоя отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора с электродами намазной конструкции волокнистого кремния с поперечным размером волокон от 100 до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м2/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, с содержанием в активном слое отрицательного электрода (масс. %): волокнистого кремния 60-80, электропроводной добавки 15-25 и связующего 5-15, приводит к заметному повышению удельной емкости аккумулятора при одновременном сохранении намазной технологии его изготовления.From the above it follows that the use of a lithium-ion battery in the active layer of the negative electrode with electrodes of the spread structure of fibrous silicon with a transverse fiber size of 100 to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m 2 / g, obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt mixture alkali metal halides with a negative electrode (wt.%) in the active layer: 60-80 fibrous silicon, 15-25 conductive additives and 5-15 binder, leads to a noticeable increase in hydrochloric battery capacity while maintaining namaznomu technology of its manufacture.

Claims (2)

1. Литий-ионный аккумулятор, содержащий положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, включающим частицы кремния, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов, отличающийся тем, что в качестве частиц кремния, включенных в активный слой отрицательного электрода, использован волокнистый кремний с поперечным размером волокон от 100 нм до 300 нм и площадью удельной поверхности 30-135 м2/г, полученный электролитическим восстановлением кремния из расплава смеси галогенидов щелочных металлов, при следующем составе активного слоя отрицательного электрода (мас. %): волокнистый кремний - 60-80, электропроводная добавка - 15-25 и связующее - 5-15.1. A lithium-ion battery containing a positive electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited thereon, and a negative electrode including an electrically conductive substrate with an active layer deposited on it, including silicon particles, a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte and placed between the opposite layers of the opposite electrodes, characterized in that as silicon particles included in the active layer of the negative electrode, fibrous silicon with a transverse fiber size is used t 100 nm to 300 nm and a specific surface area of 30-135 m 2 / g obtained by electrolytic reduction of silicon from a melt mixture of alkali metal halides, with the following composition of the negative electrode active layer (wt.%): silicon fiber - 60-80, the conductive the additive is 15-25 and the binder is 5-15. 2. Литий-ионный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что использованы волокна кремния с отношением продольного к поперечному размеру, лежащим в диапазоне 0,95-1,05.
Figure 00000001
2. The lithium-ion battery according to claim 1, characterized in that silicon fibers with a ratio of longitudinal to transverse size lying in the range of 0.95-1.05 are used.
Figure 00000001
RU2015152832/07U 2015-12-09 2015-12-09 LITHIUM ION BATTERY RU161876U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152832/07U RU161876U1 (en) 2015-12-09 2015-12-09 LITHIUM ION BATTERY

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152832/07U RU161876U1 (en) 2015-12-09 2015-12-09 LITHIUM ION BATTERY

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU161876U1 true RU161876U1 (en) 2016-05-10

Family

ID=55960450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015152832/07U RU161876U1 (en) 2015-12-09 2015-12-09 LITHIUM ION BATTERY

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU161876U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2759843C1 (en) * 2020-05-22 2021-11-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Elementary unit for a lithium-ion battery and battery based on it
CN115433214A (en) * 2022-08-29 2022-12-06 上海工程技术大学 Metal halide molten salt and preparation method and application thereof

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2759843C1 (en) * 2020-05-22 2021-11-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Elementary unit for a lithium-ion battery and battery based on it
CN115433214A (en) * 2022-08-29 2022-12-06 上海工程技术大学 Metal halide molten salt and preparation method and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sun et al. An aqueous Zn–MnO 2 rechargeable microbattery
WO2019163895A1 (en) Pre-doping method for negative electrode active material, production method for negative electrode, and production method for power storage device
Liang et al. Hierarchical Sb-Ni nanoarrays as robust binder-free anodes for high-performance sodium-ion half and full cells
Huang et al. ZnO microrod arrays grown on copper substrates as anode materials for lithium ion batteries
KR20120014542A (en) Positive current collector coated with primer and magnesium secondary battery comprising the same
US10403885B2 (en) Active material for batteries
Guo et al. Electron regulation enabled selective lithium deposition for stable anodes of lithium-metal batteries
Luo et al. In situ construction of efficient interface layer with lithiophilic nanoseeds toward dendrite‐free and low N/P ratio Li metal batteries
Hou et al. SnO 2 nanoparticles embedded in 3D nanoporous/solid copper current collectors for high-performance reversible lithium storage
CN104966814A (en) High-security metallic lithium cathode and preparation method thereof
JP7536337B2 (en) Anode current collector for lithium metal battery, method for producing same, and lithium metal battery including same
Wang et al. Aging process analysis of LiNi0. 88Co0. 09Al0. 03O2/graphite–SiOx pouch cell
Fu et al. High reversible silicon/graphene nanocomposite anode for lithium-ion batteries
CN110400963B (en) Secondary battery of metal sodium or sodium-potassium alloy cathode/polyacrylonitrile sulfide anode and manufacturing method thereof
Moon et al. Stress-relieved Si anode on a porous Cu current collector for high-performance lithium-ion batteries
RU161876U1 (en) LITHIUM ION BATTERY
CN116845235B (en) Positive electrode material, positive electrode sheet and battery
JP7551417B2 (en) Negative electrode for lithium secondary battery, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery
KR20150016018A (en) Composite electrode comprising different electrode active material and electrode assembly
US20200403224A1 (en) Lithium molybdate anode material
Kang et al. Impedance study on the correlation between phase transition and electrochemical degradation of Si-based materials
Poetz et al. Development of a 3d current collector for the positive electrode in lithium-ion batteries
WO2011024414A1 (en) Lithium secondary battery and method for manufacturing same
KR20110078307A (en) Metal based zn negative active material and lithium secondary battery comprising thereof
Ru et al. First-principles calculations and experimental studies of Sn-Zn alloys as negative electrode materials for lithium-ion batteries

Legal Events

Date Code Title Description
QB1K Licence on use of utility model

Free format text: LICENCE

Effective date: 20171115