Аноды для литий-ионного аккумулятора, содержащие частицы графенового углерода



Аноды для литий-ионного аккумулятора, содержащие частицы графенового углерода
Аноды для литий-ионного аккумулятора, содержащие частицы графенового углерода
Аноды для литий-ионного аккумулятора, содержащие частицы графенового углерода
Аноды для литий-ионного аккумулятора, содержащие частицы графенового углерода

 


Владельцы патента RU 2634689:

ППГ ИНДАСТРИЗ ОГАЙО, ИНК. (US)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к материалу для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов, содержащих частицы графенового углерода, который получен термически из углеродсодержащих материалов-предшественников, подвергнутых нагреву в термической зоне до температуры по меньшей мере 1000°С. Также предложен литий-ионный аккумулятор, содержащий анод, выполненный из заявленного материала, который включает в себя смеси металлических частиц, способных реагировать с литием, а именно Si и/или Sn, а также частицы графенового углерода и связующее. Использование частиц графенового углерода в аноде обеспечивает повышение энергоемкости аккумулятора и циклируемости, что является техническим результатом изобретения. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электродам для литий-ионного аккумулятора, содержащим частицы графенового углерода.

Предпосылки создания изобретения

Литий-ионные аккумуляторы хорошо известны. В качестве активного материала для литий-ионных аккумуляторов было предложено использовать кремний из-за его очень большой теоретической удельной емкости, которая более чем на порядок превышает теоретическую емкость обычно используемых коммерческих углеродных анодов. Олово также предлагалось использовать в качестве активного материала из-за его большой удельной емкости. Проблема с этими материалами заключается в том, что, когда они аккумулируют литий, происходит значительное их расширение, что может привести к растрескиванию и дроблению во время циклов зарядки-разрядки аккумулятора. Поэтому показатель сохранения емкости оказывается низким, поскольку растрескавшийся и раздробленный активный материал теряет электрический контакт с анодами аккумулятора.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Согласно одному аспекту изобретения предложен анодный материал для литий-ионного аккумулятора, содержащий способные реагировать с литием металлические частицы, частицы графенового углерода и связующее.

Согласно другому аспекту изобретения предложен литий-ионный аккумулятор, содержащий анод, катод, разделитель между анодом и катодом, и электролит в контакте с анодом и катодом, где анод содержит способные реагировать с литием металлические частицы, частицы графенового углерода и связующее.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен частично схематичный вид сбоку в разрезе литий-ионного аккумулятора, включающего анод, содержащий частицы графенового углерода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 и фиг. 3 приведены графики удельной емкости в зависимости от числа циклов для различных тестируемых аккумуляторов.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 схематически проиллюстрирован литий-ионный аккумулятор 100 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Аккумулятор 100 включает в себя анод 20, катод 10, разделитель 40 между анодом и катодом и электролит 30 в контакте с анодом и катодом. Предусмотрен электрический контакт между корпусом 50 и анодом 20. Клемма 60 находится в электрическом контакте с катодом 10.

Катод 10 может быть изготовлен из любого известного электропроводного материала, обычно используемого в литий-ионных аккумуляторах, такого как медь или другие металлы. Электролит 30 может содержать любой известный материал электролита, обычно используемый в литий-ионных аккумуляторах, такой как литийсодержащие соли электролита, растворенные в органических растворителях. Примеры литийсодержащих солей электролита включают LiClO4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, LiB(С6Н5)4, LiB(C2O4)2, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiCl, LiBr и тому подобное. Примеры органических растворителей включают пропиленкарбонат, этиленкарбонат, диэтилкарбонат, диметилкарбонат, 1,2-диметоксиэтан, 1,2-диэтоксиэтан, γ-бутиролактон, тетрагидрофуран, 2-метилтетрагидрофуран, 1,3-диоксолан, 4-метил-1,3-диоксолан, простой диэтиловый эфир, сульфолан, метилсульфолан, ацетонитрил, пропионитрил, анизол, ацетат, бутират, пропионат и тому подобное. В некоторых вариантах осуществления могут использоваться циклические карбонаты, такие как пропиленкарбонат, или цепочечные карбонаты, такие как диметилкарбонат и диэтилкарбонат. Эти органические растворители могут использоваться по отдельности или в виде комбинации двух или более типов. В некоторых вариантах осуществления электролит 30 может также содержать добавки или стабилизаторы, такие как VC (винилкарбонат), VEC (винилэтиленкарбонат), ЕА (этиленацетат), ТРР (трифенилфосфат), фосфазены, LiBOB, LiBETI, LiTFSI, BP (бифенил), PS (пропиленсульфит), ES (этиленсульфит), АМС (аллилметилкарбонат) и APV (дивиниладипат).

В соответствии с вариантами осуществления изобретения анод содержит электропроводящую подложку, такую как медная фольга или другая металлическая фольга, имеющая покрытие, содержащее частицы графенового углерода по настоящему изобретению, нанесенное на одну или обе ее стороны. Анодный материал, содержащий частицы графенового углерода, может включать в себя смесь из частиц графенового углерода с частицами, способными реагировать с литием, такими как Si и/или Sn, и связующее.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления анодный материал содержит 15-85% масс. способных реагировать с литием металлических частиц, 3-75% масс. частиц графенового углерода и 3-60% масс. связующего. Например, способные реагировать с литием металлические частицы могут составлять 25-70% масс. или 30-50% масс. В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода могут составлять 10-60% масс. или 30-50% масс.

В некоторых вариантах осуществления способные реагировать с литием металлические частицы содержат Si, Sn или их сочетание. Способные реагировать с литием металлические частицы, как правило, могут иметь средний размер частицы менее 1000 нм, например 5-200 нм или 10-120 нм.

В некоторых вариантах осуществления связующее анодного материала содержит полимер. Например, полимерное связующее может включать в себя поли(акриловую кислоту) (РАА), акрилатные полимеры, содержащие более 5% масс., акриловой кислоты, карбоксиметилцеллюлозу, полиметакриловую кислоту, акрилатные полимеры, содержащие более 5% масс., метакриловой кислоты, поливинилиденфторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE), дисперсии акрилового латекса и тому подобное.

Частицы графенового углерода, используемые в анодах по настоящему изобретению, могут быть получены из коммерческих источников, например от Angstron, XG Sciences и из других коммерческих источников. В некоторых вариантах осуществления, подробно описанных ниже, частицы графенового углерода могут быть получены термическим образом в соответствии со способами и установкой, описанными в заявках США 13/249,315 и US 13/309,894, которые включены в настоящий документ посредством ссылки.

Используемый в настоящем документе термин «частицы графенового углерода» означает частицы углерода, имеющие структуры, содержащие один или более слоев планарных листов толщиной в один атом sp2-связанных атомов углерода, которые плотно упакованы в сотовой кристаллической решетке. Среднее число упакованных слоев может быть менее 100, например менее 50. В некоторых вариантах осуществления среднее число упакованных слоев составляет 30 или менее, например 20 или менее, 10 или менее или в некоторых случаях 5 или менее. Частицы графенового углерода могут быть, по существу, плоскими, однако по меньшей мере часть планарных листов могут быть, по существу, изогнутыми, скрученными, смятыми или выпуклыми. Частицы обычно не обладают сфероидальной или равноосной морфологией.

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, присутствующие в анодных композициях по настоящему изобретению, имеют толщину, измеренную в направлении, перпендикулярном слоям атомов углерода, не более 10 нм, не более 5 нм, или в некоторых вариантах осуществления не более 4 нм или 3 нм, или 2 нм, или 1 нм, например не более 3,6 нм. В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода могут иметь толщину от 1 атомного слоя до 3, 6, 9, 12, 20 или 30 атомных слоев или более. В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, присутствующие в композициях по настоящему изобретению, имеют ширину и длину, измеренные в направлении, параллельном слоям атомов углерода, по меньшей мере 50 нм, например более 100 нм, в некоторых случаях от 100 нм до 500 нм, или от 100 нм до 200 нм. Частицы графенового углерода могут быть представлены в виде сверхтонких хлопьев, пластинок или листов, имеющих сравнительно большие аспектные отношения (аспектное отношение определяется как отношение наибольшего размера частицы к наименьшему размеру частицы), превышающие 3:1, например более 10:1.

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, используемые в анодных композициях по настоящему изобретению, имеют относительно низкое содержание кислорода. Например, частицы графенового углерода, используемые в некоторых вариантах осуществления композиций по настоящему изобретению, даже в случае, когда их толщина не превышает 5 или не превышает 2 нм, могут иметь содержание кислорода не более 2% атомной массы, как, например, не более 1,5% или 1% атомной массы, или не более 0,6% атомной массы, как, например, примерно 0,5% атомной массы. Содержание кислорода графеновых углеродных частиц можно определить с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, например, как описано D.R. Dreyer et al., Chem. Soc. Rev. 39, 228-240 (2010).

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, используемые в анодных композициях по настоящему изобретению, имеют удельную поверхность по БЭТ по меньшей мере 50 м2/г, например 70-1000 м2/г, или в некоторых случаях 200-1000 м2/г или 200-400 м2/г. Используемый в настоящем документе термин «удельная поверхность по БЭТ» относится к удельной поверхности, определенной по адсорбции азота в соответствии со стандартом ASTMD 3663-78 на основе метода Брунауэра-Эммета-Теллера, описанного в журнале «The Journal of the American Chemical Society», 60, 309 (1938).

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, используемые в анодных композициях по настоящему изобретению, имеют отношение пиков 2D/G рамановской спектроскопии по меньшей мере 1:1, например по меньшей мере 1,2:1 или 1,3:1. Используемый в настоящем документе термин «отношение пиков 2D/G» обозначает отношение интенсивности пика 2D при 2692 см-1 к интенсивности пика G при 1580 см-1.

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, используемые в анодных композициях по настоящему изобретению, имеют относительно низкую объемную плотность. Например, частицы графенового углерода, используемые в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, характеризуются наличием объемной плотности (насыпной плотности) менее 0,2 г/см3, например не более 0,1 г/см3. Для целей настоящего изобретения объемная плотность частиц графенового углерода определяется путем помещения 0,4 г частиц графенового углерода в стеклянный мерный цилиндр, имеющий считываемую шкалу. Цилиндр поднимают приблизительно на один дюйм (2,5 см) и постукивают 100 раз, ударяя основание цилиндра о твердую поверхность, чтобы позволить частицам графенового углерода осесть внутри цилиндра. Затем измеряют объем частиц и объемную плотность вычисляют делением 0,4 г на измеренный объем, при этом объемная плотность выражается в г/см3.

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода, используемые в анодных композициях по настоящему изобретению, имеют плотность в прессованном состоянии и процент уплотнения, меньшие, чем плотность в прессованном состоянии и процент уплотнения графитового порошка и некоторых типов, по существу, плоских частиц графенового углерода. В настоящее время полагают, что более низкая плотность в прессованном состоянии и более низкий процент уплотнения способствуют лучшей дисперсии и/или реологическим свойствам, чем у частиц графенового углерода, демонстрирующих более высокую плотность в прессованном состоянии и более высокий процент уплотнения. В некоторых вариантах осуществления плотность в прессованном состоянии частиц графенового углерода составляет 0,9 или менее, например менее 0,8, менее 0,7, например от 0,6 до 0,7. В некоторых вариантах осуществления процент уплотнения частиц графенового углерода составляет менее 40%, например менее 30%, например от 25 до 30%.

Для целей настоящего изобретения плотность в прессованном состоянии частиц графенового углерода рассчитывают по измеренной толщине заданной массы частиц после прессования. В частности, измеренная толщина определяется с помощью подвергания 0,1 г частиц графенового углерода холодному прессованию под действием 15000 фунтов силы в 1,3 см матрице в течение 45 мин, при этом контактное давление составляет 500 МПа. Плотность в прессованном состоянии частиц графенового углерода затем вычисляют по данной измеренной толщине согласно следующему уравнению: Плотность в прессованном состоянии (г/см3)=(0,1 г)/[(П*(1,3 см/2)2*(измеренная толщина в см)]

Процент уплотнения частиц графенового углерода далее определяется как отношение вычисленной плотности в прессованном состоянии частиц графенового углерода, как определено выше, к 2,2 г/см3, что является плотностью графита.

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода имеют измеренную объемную жидкую электропроводность по меньшей мере 100 мкСм, например по меньшей мере 120 мкСм, например по меньшей мере 140 мкСм, непосредственно после смешивания и в последующие моменты времени, например через 10 мин, или 20 мин, или 30 мин, или 40 мин. Для целей настоящего изобретения объемную жидкую электропроводность частиц графенового углерода определяют, как указано ниже. Во-первых, образец, содержащий 0,5% раствор частиц графенового углерода в бутилцеллозольве, обрабатывают ультразвуком в течение 30 мин с помощью ультразвуковой ванны. Сразу же после обработки ультразвуком образец помещают в стандартную калиброванную электрокондуктометрическую ячейку (К=1). Кондуктометр Fisher Scientific АВ 30 вводится в образец для измерения электропроводности образца. Строится график электропроводности на протяжении примерно 40 минут.

В некоторых вариантах осуществления слой материала для анода литий-ионного аккумулятора имеет толщину 5-500 мкм.

В некоторых вариантах осуществления слой материала для анода литий-ионного аккумулятора имеет толщину 20-200 мкм.

В некоторых вариантах осуществления материал для анода литий-ионного аккумулятора имеет удельное электросопротивление менее 250 Ом/квадрат.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления перколяция, определяемая как связанность дальнего действия, возникает между электропроводящими частицами графенового углерода. Такая перколяция может снижать удельное сопротивление композиций покрытий. Электропроводящие графеновые частицы могут занимать минимальный объем в покрытии, так что частицы образуют непрерывную или почти непрерывную сеть. В таком случае аспектные отношения частиц графенового углерода могут влиять на минимальный объем, необходимый для перколяции. Кроме того, поверхностная энергия частиц графенового углерода может быть аналогичной или сходной с поверхностной энергией эластомерного каучука. В противном случае частицы могут иметь тенденцию к флокуляции или расслоению при обработке.

Частицы графенового углерода, используемые в анодных композициях по настоящему изобретению, могут быть получены, например, термическими способами. В соответствии с вариантами осуществления изобретения термическим образом полученные частицы графенового углерода изготавливают из углеродсодержащих материалов-предшественников, которые нагревают до высоких температур в термической зоне, например в плазме. Углеродсодержащий предшественник, такой как углеводород, предоставленный в газообразной или жидкой форме, нагревают в термической зоне для получения частиц графенового углерода в термической зоне или ниже по потоку от нее. Например, термическим образом полученные частицы графенового углерода могут быть изготовлены с помощью систем и способов, описанных в патентных заявках США 13/249,315 и US 13/309,894.

В некоторых вариантах осуществления частицы графенового углерода могут быть получены с помощью установки и способа, описанных в патентной заявке США 13/249,315 в абзацах [0022]-[0048], в которой (i) одно или более вещество-предшественник углеводородов, способное образовывать двухуглеродные фрагментные соединения (такие как н-пропанол, этан, этилен, ацетилен, винилхлорид, 1,2-дихлорэтан, аллиловый спирт, пропионовый альдегид и/или винилбромид), вводят в термическую зону (такую как плазма); и (ii) углеводород нагревают в термической зоне до температуры по меньшей мере 1000°С с образованием частиц графенового углерода. В других вариантах осуществления частицы графенового углерода могут быть получены с помощью установки и способа, описанных в патентной заявке США 13/309,894 в абзацах [0015]-[0042], в которых (i) вещество-предшественник метана (такое как вещество, содержащее по меньшей мере 50% метана, или, в некоторых случаях, газообразный или жидкий метан по меньшей мере 95% или 99% чистоты или более) вводят в термическую зону (такую как плазма); и (ii) предшественник метана нагревают в термической зоне с образованием частиц графенового углерода. С помощью таких способов можно получать частицы графенового углерода, имеющие по меньшей мере некоторые, а в некоторых случаях и все, из характеристик, описанных выше.

Во время получения частиц графенового углерода описанными выше термическими способами получения углеродсодержащий предшественник подают в качестве загружаемого материала, который может приводиться в контакт с инертным газом-носителем. Углеродсодержащий материал-предшественник может быть нагрет в термической зоне, например с помощью плазменной установки. В некоторых вариантах осуществления материал-предшественник нагревают до температуры в диапазоне от 1000°С до 20000°С, например от 1200°С до 10000°С. Например, температура термической зоны может находиться в диапазоне 1500-8000°С, например от 2000°С до 5000°С. Хотя термическая зона может быть сформирована с помощью плазменной установки, следует понимать, что любая другая подходящая нагревательная система может использоваться для создания термической зоны, как например, различные типы печей, в том числе электронагреваемые трубчатые печи и тому подобное.

Газообразный поток может контактировать с одним или несколькими закалочными потоками, которые инжектируются в плазменную камеру через по меньшей мере одно отверстие для ввода закалочного потока. Закалочный поток может охлаждать газообразный поток, чтобы способствовать образованию частиц графенового углерода или регулировать размер или морфологию частиц графенового углерода. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения после контактирования потока газообразного продукта с закалочными потоками ультратонкие частицы могут пропускаться через суживающийся элемент. После выхода частиц графенового углерода из плазменной установки они могут быть собраны. Любые подходящие средства могут использоваться для отделения частиц графенового углерода от газового потока, например мешочный фильтр, циклонный сепаратор или осаждение на подложке.

Не связывая себя какой-либо теорией, в настоящее время считается, что вышеприведенные способы изготовления частиц графенового углерода особенно подходят для получения частиц графенового углерода, имеющих относительно малую толщину и относительно высокое аспектное отношение в комбинации с относительно низким содержанием кислорода, как описано выше. Кроме того, в настоящее время полагают, что такие способы образуют значительное количество частиц графенового углерода, имеющих, по существу, изогнутую, скрученную, смятую или выпуклую морфологию (называемую в настоящем документе «3D» морфология), в отличие от образования преимущественно частиц, имеющих, по существу, двумерную (или плоскую) морфологию. Как полагают, данная особенность отражена в описанных ранее свойствах плотности в прессованном состоянии и, как полагают, является полезной в настоящем изобретении, поскольку в настоящее время считается, что, когда значительная часть частиц графенового углерода имеет 3D морфологию, в композиции между частицами графенового углерода может быть простимулирован контакт «край с краем» и «край с поверхностью». Как полагают, это происходит, поскольку частицы, имеющие 3D морфологию, менее вероятно будут агрегированы в композиции (благодаря меньшим силам Ван-дер-Ваальса), чем частицы, имеющие двумерную морфологию. Кроме того, в настоящее время считается, что даже в случае контакта «поверхность с поверхностью» между частицами, имеющими 3D морфологию, поскольку частицы могут иметь более одной плоскости поверхности, вся поверхность частиц не участвует в единственном взаимодействии «поверхность с поверхностью» с другой единственной частицей, но вместо этого может участвовать во взаимодействиях с другими частицами, в том числе в других взаимодействиях «поверхность с поверхностью», в других плоскостях. В результате, в настоящее время полагают, что частицы графенового углерода, имеющие 3D морфологию, обеспечивают наилучший проводящий путь в композициях настоящего изобретения, и в настоящее время считаются полезными для получения свойств электропроводности, к которым стремятся варианты осуществления настоящего изобретения.

Следующие примеры предназначены для иллюстрации различных аспектов изобретения и не предназначены для ограничения объема изобретения.

Примеры

Изготавливали анодные материалы, содержащие смеси частиц кремния и различных типов частиц графенового углерода или частиц углеродной сажи в полимерном связующем. Частицы графенового углерода, использованные в образцах А и В, получали термическим способом, используя метан в качестве вещества-предшественника, как описано в патентной заявке США 13/309,894. Термическим образом полученные частицы графенового углерода образца А дополнительно обрабатывали раствором толуола, чтобы экстрагировать любые остаточные низкомолекулярные углеводородные загрязнители. Графеновыми частицами, использованными в образце С, были частицы XG300, коммерчески доступные от XG Sciences. Частицами углеродной сажи, использованными в образце D, были коммерчески доступные частицы углеродной сажи Super Р.

Электрохимические испытания проводили на образцах A-D с использованием дисковых элементов типа 2016-типа, которые были собраны в заполненном аргоном сухом перчаточном боксе (MBraun, Inc.) с Si электродом в качестве рабочего электрода и металлическим Li в качестве противоэлектрода. Рабочие электроды получали литьем суспензии, состоящей из 40% масс. частиц Si (50 нм наночастицы от Sigma), 40% масс. графеновых частиц или частиц углеродной сажи и 20% масс. связующего поли(акриловой кислоты) (РАА). 1 моль L-1 LiPF6 в смеси этиленкарбоната, диэтилкарбоната и диметилкарбоната (EC:DEC:DMC, 2:1:2 об. %) и 10% масс. фторэтиленкарбоната (FEC) использовали в качестве электролита (Novolyte Technologies, Индепенденс, Огайо). Электрохимические характеристики оценивали по гальваностатическим циклам зарядки/разрядки на тестере аккумуляторов Arbin ВТ-2000 при комнатной температуре при различных плотностях тока в диапазоне напряжений от 1,5 до 0,01 В относительно Li+/Li. Плотность тока и удельную емкость рассчитывали на основе массы только Si.

Протоколы испытаний включали следующую интенсивность испытания: первые 7 циклов испытания с использованием плотности тока 1 А/г; после этого использовали плотность тока 2 А/г.

На фиг. 2 проиллюстрированы электрохимические характеристики образцов материалов A-D, содержащих частицы графенового углерода различных типов или частицы углеродной сажи при различных протоколах испытаний в режиме постоянного тока. На основании результатов, показанных на фиг. 2, видно, что образцы А и В, содержащие термически полученные графеновые частицы, характеризуются лучшим сохранением емкости, чем образцы С и D, содержащие, соответственно, коммерчески доступные графен и углеродную сажу. Образец А также показывает более высокую удельную емкость, чем образец С.

Протоколы испытаний для данных, приведенных на фиг. 3, являются следующими: для емкости, ограниченной 1600 мАч/г, постоянный ток 1 А/г использовали как для процессов литирования (разрядка), так и делитирования (зарядка); для емкости, ограниченной 3000 мАч/г, использовали постоянный ток 400 мА/г для процесса литирования (разрядка), тогда как постоянный ток 1 А/г использовали для процесса делитирования (зарядка), чтобы имитировать реальное использование анодных материалов в полностью заряженном аккумуляторе.

На фиг. 3 проиллюстрированы электрохимические характеристики образца А при протоколе испытаний в режиме постоянной емкости. На фиг. 3 показано, что образец А хорошо сохраняет емкость до 100 циклов в испытаниях с емкостью, ограниченной, соответственно, 1600 мАч/г и 3000 мАч/г.

Для целей данного подробного описания следует понимать, что изобретение может предполагать различные альтернативные варианты и последовательности стадий, за исключением тех случаев, когда явным образом указано противоположное. Более того, за исключением любых рабочих примеров или тех случаев, когда указано иное, все числа, выражающие, например, количества компонентов, использованные в описании и формуле изобретения, следует понимать как во всех случаях предваряемые термином «приблизительно». Соответственно, если не указано противоположное, числовые параметры, изложенные в приведенном описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными и могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, получения которых добиваются в настоящем изобретении. По меньшей мере и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр должен рассматриваться по меньшей мере в свете указанного числа значащих цифр и с применением обычных методов округления.

Несмотря на то что численные диапазоны и параметры, определяющие широкий объем настоящего изобретения, являются приблизительными, представленные в конкретных примерах численные величины указаны настолько точно, насколько это возможно. Однако любое числовое значение по самой своей природе включает определенную погрешность, с неизбежностью возникающую в результате наличия стандартного отклонения, обнаруживаемого при его измерениях в соответствующих испытаниях.

Кроме того, следует понимать, что любой числовой диапазон, приведенный в настоящем документе, предполагает включение всех поддиапазонов, попадающих в его пределы. Например, диапазон «от 1 до 10» предполагает включение всех поддиапазонов между (и включая) приведенным минимальным значением «1» и приведенным максимальным значением «10», то есть имеющие минимальное значение, равное 1 или больше, и максимальное значение, равное 10 или меньше.

В данной заявке использование единственного числа включает также множественное число, а множественное число включает в себя единственное число, если специально не указано иное. Кроме того, в данной заявке использование «или» означает «и/или», если специально не указано иное, несмотря на то, что в некоторых случаях выражение «и/или» может использоваться в явном виде.

Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в настоящее изобретение можно внести изменения, не отступая от принципов, раскрытых в предшествующем описании. Предполагается, что такие модификации включены в следующую формулу изобретения, если только в пунктах формулы изобретения явно не указано обратное. Соответственно, конкретные варианты осуществления, описанные здесь в деталях, носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают объем изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения и всеми без исключения ее эквивалентами.

1. Материал для анода литий-ионного аккумулятора, содержащий:

- способные реагировать с литием металлические частицы;

- частицы графенового углерода, термически полученные из углеродсодержащих материалов-предшественников, подвергнутых нагреву в термической зоне до температуры по меньшей мере 1000°С; и

- связующее.

2. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, содержащий 15-85 мас.% способных реагировать с литием металлических частиц, 3-75 мас.% частиц графенового углерода и 3-60 мас.% связующего.

3. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 2, в котором способные реагировать с литием металлические частицы составляют 25-70 мас.% и частицы графенового углерода составляют 10-60 мас.%.

4. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 2, в котором способные реагировать с литием металлические частицы составляют 30-50 мас.% и частицы графенового углерода составляют 30-50 мас.%.

5. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, в котором графеновые частицы имеют аспектные отношения, превышающие 5:1.

6. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, в котором графеновые частицы имеют среднюю толщину 0,3-6 нм.

7. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, в котором способный реагировать с литием металл включает Si, Sn или их комбинации.

8. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, в котором способные реагировать с литием металлические частицы содержат Si, причем средний размер частиц составляет менее 1000 нм.

9. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 8, в котором частицы, содержащие Si, имеют средний размер 5-200 нм.

10. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 8, в котором частицы, содержащие Si, имеют средний размер 10-120 нм.

11. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, в котором связующее содержит полимер.

12. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 11, в котором полимер содержит поли(акриловую кислоту).

13. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 1, где материал для анода аккумулятора имеет вид слоя на электропроводящей подложке.

14. Материал дня анода литий-ионного аккумулятора по п. 13, где электропроводящая подложка включает металлическую фольгу.

15. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 13, в котором слой материала для анода аккумулятора имеет толщину 5-500 мкм.

16. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 13, в котором слой материала для анода аккумулятора имеет толщину 20-200 мкм.

17. Материал для анода литий-ионного аккумулятора по п. 13, в котором материал для анода аккумулятора имеет удельное электросопротивление менее 250 Ом/квадрат.

18. Литий-ионный аккумулятор, содержащий:

- анод;

- катод;

- разделитель между анодом и катодом; и

- электролит, контактирующий с анодом и катодом, при этом анод содержит способные реагировать с литием металлические частицы, частицы графенового углерода, термически полученные из углеродсодержащих материалов-предшественников, подвергнутых нагреву в термической зоне до температуры по меньшей мере 1000°С, и связующее.

19. Литий-ионный аккумулятор по п. 18, в котором анод содержит 15-85 мас.% способных реагировать с литием металлических частиц, 3-75 мас.% частиц графенового углерода и 3-60 мас.% связующего.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению нанокомпозиционных порошковых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. В качестве исходного материала выбирают наноразмерный порошок аэросила (SiO2) с удельной поверхностью 350-380 м2/г, который сушат в вакууме в течение 1-3 ч.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения нанокомпозиционных положительных электродов для литий-ионных аккумуляторов. При реализации способа выбирают наноразмерный порошок катодного материала на основе соединения Li2MeSiO4, либо LiMePO4, либо LiMeO2, где Me - переходные металлы, покрывают их тонкой пленкой на основе системы LixMeyO, где Me - V, Ge, Nb, Mo, La, Ta, Ti, толщиной 5-7 нм, затем проводят термообработку покрытых порошков при температуре 300-500°С в течение 10-12 ч, из полученного композиционного материала изготавливают положительный электрод, на который наносят пассивационное покрытие на основе Al2O3 с использованием реагента триметилалюминия (ТМА) и паров воды, далее проводят термообработку электродов в течение 10-12 ч при температуре 180-200°С.

Изобретение относится к литий-ионной батарее с неводным электролитом и способу ее изготовления. Вторичная литий-ионная батарея (100) с неводным электролитом включает токособирающую фольгу (21) отрицательного электрода и смесевой слой (22) отрицательного электрода, который расположен на токособирающей фольге отрицательного электрода, при этом смесевой слой отрицательного электрода содержит множество гранулированных частиц, каждая из которых содержит активный материал (2) отрицательного электрода и покрывающую пленку (4).

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для производства улучшенного катодного активного материала литий-ионных аккумуляторных батарей с повышенной удельной емкостью при циклировании токами высокой плотности.

Изобретение относится к способу получения структуры тонкопленочного катода на основе системы Li2Fe0,5Mn0,5SiO4 и позволяет получить катод с монокристаллической бездефектной структурой с равномерным распределением химического состава по объему.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения тонкопленочного анода, и может быть использовано при изготовлении литий-ионных аккумуляторных батарей.

Изобретение относится к литиевому электроду, содержащему электродный композит, включающий в себя пористый металлический токоотвод и металлический литий, введенный в поры, присутствующие в металлическом токоотводе, и защитную мембрану для проводимости по иону лития, причем защитная мембрана образована на по меньшей мере одной поверхности электродного композита, при этом металлический литий введен в количестве от 1 до 50 мас.% относительно общей массы электродного композита.
Изобретение относится к аноду, применимому в аккумуляторе литий-ионной батареи, содержащему электролит на основе соли лития и неводного растворителя, к способу изготовления этого анода и к литий-ионной батарее с одним или более аккумуляторами, включающими в себя этот анод.

Изобретение относится к положительному электроду для литиево-воздушной батареи, а также к способу его приготовления. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи содержит: токоотвод положительного электрода, образованный пористым металлом; и активный слой положительного электрода, предусмотренный на токоотводе положительного электрода и включающий в себя проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода, и при этом пористый металл имеет диаметр пор, равный или больший 20 нм и равный или меньший 1 мм.

Изобретение относится к катоду для литиево-серной батареи, а также к способу его приготовления. Катод для литиево-серной батареи включает активную часть катода, включающую в себя сероуглеродный композит; и слой покрытия катода, предусмотренный по меньшей мере на части поверхности активной части катода и включающий в себя неорганический оксид, при этом слой покрытия катода содержит поры, имеющие средний диаметр от 0,5 до 10 мкм, и пористость слоя покрытия катода составляет от 20 до 70%.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения нанокомпозиционных положительных электродов для литий-ионных аккумуляторов. При реализации способа выбирают наноразмерный порошок катодного материала на основе соединения Li2MeSiO4, либо LiMePO4, либо LiMeO2, где Me - переходные металлы, покрывают их тонкой пленкой на основе системы LixMeyO, где Me - V, Ge, Nb, Mo, La, Ta, Ti, толщиной 5-7 нм, затем проводят термообработку покрытых порошков при температуре 300-500°С в течение 10-12 ч, из полученного композиционного материала изготавливают положительный электрод, на который наносят пассивационное покрытие на основе Al2O3 с использованием реагента триметилалюминия (ТМА) и паров воды, далее проводят термообработку электродов в течение 10-12 ч при температуре 180-200°С.

Изобретение относится к области вторичных, перезаряжаемых источников питания. Аккумуляторная батарея для питания портативного приемопередатчика содержит корпус ступенчатой формы, в котором размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с контактами, размещенными на корпусе.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а конкретно - к литий-ионному аккумулятору.

Изобретение относится к литий-ионной батарее с неводным электролитом и способу ее изготовления. Вторичная литий-ионная батарея (100) с неводным электролитом включает токособирающую фольгу (21) отрицательного электрода и смесевой слой (22) отрицательного электрода, который расположен на токособирающей фольге отрицательного электрода, при этом смесевой слой отрицательного электрода содержит множество гранулированных частиц, каждая из которых содержит активный материал (2) отрицательного электрода и покрывающую пленку (4).

Изобретение относится к устройству и способу изготовления тонкопленочного элемента питания для биосовместимого устройства. В некоторых примерах способы и устройства изготовления элементов питания могут включать в себя заполнение полостей активными химическими веществами катода и осаждение разделителей внутри ламинатной конструкции батареи.

Изобретение относится к способу получения слоя активного материала положительного электрода для литий-ионного аккумулятора, который улучшает срок службы и снижает внутреннее сопротивление литий-ионного аккумулятора, преимущественного литий-ионного аккумулятора, который работает при высоком напряжении.

Изобретение относится к модулю (10) накопления энергии, содержащему множество расположенных рядом друг с другом устройств (100) накопления энергии и жесткий кожух (12), окружающий устройства накопления энергии, при этом каждое устройство содержит по меньшей мере одну боковую стенку, закрытую на каждом конце торцевой поверхностью, причем устройства накопления попарно электрически соединены проводящими перемычками (110), расположенными по меньшей мере на одной торцевой поверхности каждого устройства, при этом перемычки расположены таким образом, чтобы одна перемычка соединяла первую торцевую поверхность по меньшей мере одного указанного устройства с торцевой поверхностью первого смежного устройства, а вторая перемычка соединяла вторую поверхность указанного устройства с торцевой поверхностью второго смежного устройства, при этом модуль содержит также по меньшей мере один электроизоляционный элемент (120), выполненный из электроизоляционного материала, содержащий дно (122) и бортик (124), проходящий по существу перпендикулярно ко дну и окружающий это дно, при этом каждый электроизоляционный элемент (120) связан с перемычкой (110) и надет на соединенные перемычкой торцевые поверхности двух смежных устройств таким образом, что дно расположено параллельно торцевым поверхностям, а бортик проходит вдоль боковых стенок двух устройств, перекрывая по меньшей мере части их высоты.

Группа изобретений относится к электролитам для электрохимического элемента аккумуляторной батареи. Электролит для электрохимического элемента аккумуляторной батареи содержит диоксид серы и проводящую соль.

Предложен способ и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания, которые могут найти применение в различных медицинских устройствах, в том числе при изготовлении контактных линз.

Предложены способ изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания и устройство, изготовленное в соответствии с указанным способом. Область применения предложенного устройства может включать в себя различные медицинские устройства, для которых необходимы элементы питания, например, в имплантируемых устройствах.

Изобретение относится к получению нанокомпозиционных порошковых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. В качестве исходного материала выбирают наноразмерный порошок аэросила (SiO2) с удельной поверхностью 350-380 м2/г, который сушат в вакууме в течение 1-3 ч.
Наверх