[发明专利]适用于锂离子电池的电极的含硅合金

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年12月23日提交的美国申请60/743,075 的优先权，该文献的公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及适用于锂离子电池的电极组合物、这种组合物的制备 方法以及包括这种组合物的电池。

背景技术

已经建议将金属合金作为锂离子电池的阳极。相对于诸如石墨的 插层式阳极来说，这些合金型阳极通常显示出更高的容量。然而，这 种合金的一个问题在于，它们常常显示出相对较差的循环寿命和较差 的库仑效率，这是由于在与合金中的组合物变化相关的膨胀和收缩期 间合金粒子破碎的缘故。

发明内容

本文描述一种用于锂离子电池的电极组合物，如式Si_xSn_qM_yC_z所 示，其中q、x、y和z代表原子百分比值，并且(a)(q+x)＞2y+z； (b)x＞0，(c)q和z各自独立地≥0；及(d)M为选自锰、钼、铌、 钨、钽、铁、铜、钛、钒、铬、镍、钴、锆、钇及其组合的一种或多 种金属。Si、Sn、M和C元素的配置形式为多相的微结构，包括：(a) 包含硅的非晶相；(b)包含金属硅化物的纳米晶相；和(c)z＞0时，含 碳化硅的相；及(d)q＞0时，含Sn的非晶相。

“非晶相”是一种缺乏长程原子秩序且其X射线衍射图缺乏尖 锐、明确界定峰的相。

“纳米晶相”是晶粒不大于约50纳米的相，该相显示有长程原 子秩序，并且X射线衍射图以尖锐、明确界定的峰为特征。

在一些实施例中，可以选择x值，使x≥60，并且可以选择z 值，使z＞0、z≥10或z≥15。例如，在一个实施例中，x≥60、 ≥70或甚至更大，z＞0或≥10，M为选自钴、镍、铁、钛、 钼及其组合的一种或多种金属。在另一实施例中，M包括Co，x≥ 60，z＞0。

可以将该电极组合物用于锂离子电池的阳极，所述锂离子电池还 包括阴极和电解质。电解质可以包括任何已知的电解质，如氟代碳酸 亚乙酯。优选的是，阳极的形式为包括电极组合物与粘结剂(任何已 知的粘结剂，例如聚酰亚胺)和导电稀释剂(任何已知的导电稀释剂， 如炭黑)组合的复合体。

当结合到锂离子电池中时，电极显示出良好的循环寿命和库仑效 率。

下文的附图和描述中给出了本发明的一个或多个实施例的详情。 从详细描述以及从权利要求中可以显而易见本发明的其它特征、目的 及优点。

具体实施方式

本文的所有数字均可以被术语“约”修饰。用端点列举的数值范 围可包括包含在该范围内的所有数字(如，1至5包含1、1.5、2、 2.75、3、3.80、4、和5)。

所描述的电极组合物特别适合用于锂离子电池的阳极。该电极组 合物的特征在于，用于锂离子电池的电极组合物如式Si_xSn_qM_yC_z所 示，其中q、x、y和z代表原子百分比值，并且(a)(q+x)＞2y+z； (b)q≥0，(c)z≥0；及(d)M为选自锰、钼、铌、钨、钽、铁、铜、 钛、钒、铬、镍、钴、锆、钇及其组合的一种或多种金属。Si、Sn、M 和C元素的配置形式为多相的微结构，包括：(a)包含硅的非晶相(因此 x＞0)；(b)包含金属硅化物的纳米晶相；和(c)z＞0时，含碳化硅 的相；及(d)q＞0时包含Sn的非晶相。优选的是，通过在高速剪切 及高速冲击下将硅、(各种)金属和使用碳的实施例中的碳源(例如 石墨)球磨适当的一段时间来制备电极组合物。可以使用球磨机，例 如立式球磨机(ATTRITOR，Union Process Inc.，Akron，OH)、SPEX MILL(Spex CertiPrep，Metuchen，NJ)、卧式旋转球磨机(SIMOLOYER， ZozgmbH，Werden，Germany)或本领域中已知的其它球磨机。

该电极组合物特别适合用于锂离子电池的阳极。阳极优选为复合 体，其中电极组合物与粘结剂和导电稀释剂结合。合适粘结剂的例子 包括聚酰亚胺和聚偏二氟乙烯。合适的导电稀释剂的例子包括炭黑。