用于固态电池阳极应用的具有高硅含量的导电碳气凝胶

摘要

本公开提供“用于固态电池阳极应用的具有高硅含量的导电碳气凝胶”。一种复合气凝胶材料包含限定3D多孔结构的碳化气凝胶和分散在所述3D多孔结构内的硅基材料，其中所述硅基材料占至少70％的质量分数。一种制造复合气凝胶材料的方法包括将水、丙烯腈单体、硅颗粒、表面活性剂、热聚合引发剂和溶剂混合并加热为溶液。将溶液进行淬火，其中聚丙烯腈(PAN)硅纳米颗粒微珠凝胶从溶液中沉淀出来。然后发生溶剂交换以形成硅基气凝胶材料，然后将所述硅基气凝胶材料进行冷冻干燥。将硅基气凝胶材料碳化以形成复合气凝胶材料，所述复合气凝胶材料包含限定3D多孔结构的碳化气凝胶和分散在所述碳化气凝胶的孔内的硅基材料。

说明书

技术领域

本公开涉及复合气凝胶材料，并且更具体地涉及一种碳基气凝胶材料及其制造方法。

背景技术

本部分中的陈述仅提供了与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

硅是应用于下一代电动车辆的固态电池阳极的有前景的材料。然而，硅在单独用作阳极材料时在电池的充电和放电期间经历显著的体积变化(即，膨胀和收缩)。这种体积变化可能导致硅破裂并降低电池的性能和保持容量。因此，在电动车辆应用中不断寻求提高的电池阳极材料的结构稳定性以适应充电和放电期间的体积变化。

本公开解决了与固态电池阳极相关的这些和其他问题。

发明内容

本部分提供了对本公开的总体概述，并且不是对其全部范围或其所有特征的全面公开。

本公开提供了一种复合气凝胶材料，其包含限定3D多孔结构的碳化气凝胶和分散在3D多孔结构内的硅基材料。硅基材料占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数。在一种形式中，硅基材料包括硅纳米颗粒。

在可以单独地或以任何组合采用的这种复合气凝胶材料的变型中：3D多孔结构限定直径在约2μm至约5μm之间的碳化气凝胶的球体，其中孔的直径在约2nm至约50nm之间，并且硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间；3D多孔结构限定长度在约2μm至约7μm之间并且具有大于约5的长度直径比的碳化气凝胶纤维；碳化气凝胶由选自由聚丙烯腈、聚烯烃、木质素-纤维素和尼龙组成的组的前体材料形成；并且硅基材料选自由纯硅、氧化硅和二氧化硅组成的组。

在本公开的另一种形式中，复合气凝胶材料由限定3D多孔结构的碳化气凝胶和分散在碳化气凝胶的孔内的硅纳米颗粒组成。硅纳米颗粒占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数。

在一种形式中，3D多孔结构限定直径在约2μm至约5μm之间的碳化气凝胶的球体，其中孔的直径在约2nm至约50nm之间，并且硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。在另一方面，3D多孔结构限定长度在约2μm至约7μm之间并且具有大于约5的长度直径比的碳化气溶胶纤维。

在本公开的另外的形式中，固态电池包括如本文所述的复合气凝胶材料中的至少一种。在一种形式中，固态电池的能量密度大于约250Wh/kg。

在本公开的又一种形式中，一种制造复合气凝胶材料的方法包括将水、丙烯腈单体、硅颗粒、表面活性剂、热聚合引发剂和溶剂混合并在惰性环境中加热为溶液。将溶液进行淬火，其中聚丙烯腈(PAN)硅纳米颗粒微珠凝胶从溶液中沉淀出来。在微珠凝胶上发生溶剂交换以形成硅基气凝胶材料，然后将所述硅基气凝胶材料进行冷冻干燥。

然后将硅基气凝胶材料在惰性环境中碳化以形成复合气凝胶材料，所述复合气凝胶材料包含限定3D多孔结构的碳化气凝胶和分散在碳化气凝胶的孔内的硅基材料。硅基材料占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数。在一种形式中，硅基材料包括硅纳米颗粒。

在一种形式中，3D多孔结构限定直径在约2μm至约5μm之间的碳化气凝胶的球体，其中孔的直径在约2nm至约50nm之间，并且硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。在另一方面，3D多孔结构限定长度在约2μm至约7μm之间并且具有大于约5的长度直径比的碳化气溶胶纤维。

根据本文提供的描述，另外的适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅意图用于说明目的，而不意在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图通过举例的方式描述本公开的各种形式，在附图中：

图1是根据本公开的教导的制造复合气凝胶材料的方法的流程图。

本文描述的附图仅用于说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的并且不意图限制本公开、应用或用途。应理解，贯穿附图，对应的附图标记指示相同或对应的零件和特征。

本公开提供了一种复合气凝胶材料，其包含具有3D多孔结构的碳化气凝胶和分散在3D多孔结构内的硅基材料。有利地，硅基材料占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数，其为固态电池应用提供大于约250Wh/kg的能量密度。

参考图1，示出了一种形成新型复合气凝胶材料的方法。所述方法始于将水、丙烯腈单体、硅颗粒、表面活性剂、热聚合引发剂和溶剂混合并在惰性环境中将所述混合物加热为溶液。该步骤通常被称为微球凝胶的合成，并且在一种形式中，将溶液在约70℃下连续搅拌约两(2)小时。举例来说，表面活性剂可以是十二烷基硫酸钠(SDS)，热聚合引发剂可以是偶氮二异丁腈(AlBN)，并且溶剂可以是二甲基甲酰胺(DMF)。溶液包含约2.5L的水、约1.2L的丙烯腈单体、约50克的表面活性剂和约1.0克的AlBN。

接下来，通过添加空气和冷水来对溶液进行淬火。因此，微珠凝胶从溶液中沉淀出来，在一种形式中，所述微珠凝胶是聚丙烯腈(PAN)硅纳米颗粒微珠凝胶。所述方法还包括：对微珠凝胶进行溶剂交换以形成硅基气凝胶材料；将硅基气凝胶材料进行冷冻干燥；以及(在约800℃至1200℃的温度下)将硅基气凝胶材料在惰性环境中碳化以形成复合气凝胶材料。

因此，所得复合气凝胶材料限定3D多孔结构和分散在碳化气凝胶的孔内的硅基材料，其中硅基材料占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数。

在本公开的一种形式中，硅基材料包括硅纳米颗粒。一种形式的硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。此外，一种形式的硅基材料是纯硅。在其他形式中，硅基材料可以是氧化硅或二氧化硅以及其他硅基材料。然而，对于固态电池应用，纯硅将提供最高能量密度。

关于复合气凝胶材料的特定3D多孔结构，所述结构限定直径在约2μm至约5μm之间的碳化气凝胶的球体，其中孔的直径在约2nm至约50nm之间，并且硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。在另一种形式中，3D多孔结构限定长度在约2μm至约7μm之间并且具有大于约5的长度直径比的碳化气溶胶纤维。

作为非限制性示例，微球可以由乳液聚合的沉淀形成。作为另一个非限制性示例，可以通过将聚丙烯腈(PAN)溶解在与硅纳米颗粒混合以形成混合物的溶剂(诸如己烷)中来形成碳化气凝胶纤维。然后可以通过静电纺丝将混合物纺成纤维。然后，所得纤维可以进行如前所述的溶剂交换和碳化过程。

在一种形式中，碳化气凝胶由聚丙烯腈前体形成。在其他形式中，前体可以是例如聚烯烃、木质素-纤维素或尼龙等。

除非本文另有明确指示，否则指示机械/热性质、组成百分比、尺寸和/或公差或其他特性的所有数值在描述本公开的范围时应当被理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于各种原因期望进行这种修饰，所述原因包括：工业实践；材料、制造和组装公差；以及测试能力。

如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应被解释为使用非排他性逻辑“或”表示逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一者、B中的至少一者以及C中的至少一者”。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此，不背离本公开的实质的变型意图在本公开的范围内。不应将此类变型视为脱离本公开的精神和范围。

根据本发明，复合气凝胶材料由以下各者组成：限定3D多孔结构的碳化气凝胶；以及分散在碳化气凝胶的孔内的硅基材料，其中硅纳米颗粒占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数。

根据实施例，3D多孔结构限定直径在约2μm至约5μm之间的碳化气凝胶的球体，其中孔的直径在约2nm至约50nm之间，并且硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。

根据实施例，3D多孔结构限定长度在约2μm至约7μm之间并且具有大于约5的长度直径比的碳化气凝胶纤维。

根据实施例，硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。

根据实施例，固态电池的能量密度大于约250Wh/kg。

根据本发明，提供了一种固态电池，所述固态电池具有如上所述的复合气凝胶材料。

根据本发明，一种制造复合气凝胶材料的方法包括：将水、丙烯腈单体、硅颗粒、表面活性剂、热聚合引发剂和溶剂混合并在惰性环境中加热为溶液；对溶液进行淬火，其中聚丙烯腈(PAN)硅纳米颗粒微珠凝胶从溶液中沉淀出来；对微珠凝胶进行溶剂交换以形成硅基气凝胶材料；对硅基气凝胶材料进行冷冻干燥；以及将硅基气凝胶材料在惰性环境中碳化以形成复合气凝胶材料，所述复合气凝胶材料包含：限定3D多孔结构的碳化气凝胶；以及分散在碳化气凝胶的孔内的硅基材料，其中硅基材料占复合气凝胶材料的至少70％的质量分数。

根据实施例，硅基材料包括硅纳米颗粒。

根据实施例，3D多孔结构限定直径在约2μm至约5μm之间的碳化气凝胶的球体，其中孔的直径在约2nm至约50nm之间，并且硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。

根据实施例，3D多孔结构限定长度在约2μm至约7μm之间并且具有大于约5的长度直径比的碳化气凝胶纤维。

根据实施例，硅纳米颗粒的大小在约2nm至约50nm之间。