[发明专利]电极组合物以及方法

说明书

相关专利申请

本专利申请要求提交于2007年10月24日的美国临时专利申请No.60/982,295、提交于2008年6月20日的61/074,190和提交于2008年9月25日的美国专利申请No.12/237,781的优先权。

技术领域

本发明涉及电化学电池的阳极组合物，并涉及包含粘合剂的电极以及制造电极和电池的方法。

背景技术

粉状合金和导电粉末(诸如炭黑)已被用来制造用于锂离子电池的电极，其过程涉及将粉状活性成分与聚合物粘合剂混合。将混合成分在用于聚合物粘合剂的溶剂中制成分散体，并将其涂覆到金属箔基底或集电器上。所得的复合电极在粘附到金属基底的粘合剂中包含粉状活性成分。

多种聚合物可用作金属和石墨基锂离子电池电极的粘合剂。然而，对于基于粉状金属材料的电极而言，在所得电池中的首次循环不可逆容量损失可能是不可接受的大，例如高达300mAh/g或更大。

包含锡、钴和碳的合金阳极材料已用来制造用于锂离子电池中的阴极。这些材料可在合金中使用大量的碳(例如大于10重量％)以在重复循环后保留容量。

发明内容

根据上述观点，我们认识到需要这种的电极：其具有减少的首次循环容量损失(不可逆容量损失)、在重复循环期间降低容量衰减、并具有大体积容量。

在一个方面，提供了包含活性物质的电极组合物，活性物质包含锡、钴和碳的合金，其中碳量小于总活性物质的9.9重量％并大于1重量％。

在另一方面，提供了包含活性物质、以及不含氟的粘合剂或芳族粘合剂或它们的组合的电极组合物，活性物质包含锡、钴和碳的合金，其中活性物质的量包含约10重量％至约30重量％的碳，并且钴与锡和碳的总重量的重量比为约0.3至约0.7。

在又另一方面，提供了包含活性物质的电极组合物，活性物质包含锡、钴、铁和碳的合金，其中铁的量大于活性物质的总量的5.9重量％。

在又另一方面，提供了制造合金的方法，包括研磨包含粉状碳、粉状钴、和包含钴和锡的粉状合金的多种粉状成分。粉状合金可包含CoSn₂。上述钴的摩尔量可以基本上等同合金中钴的摩尔量。

还提供由这些活性物质制成的电极、由提供的电极制成的电化学电池以及包括本文提供的至少一个电化学电池的电池组。

提供的电极可提高在采用基于小粒子合金粉末(尤其是包含锡、钴和碳的合金)的电极的可充电锂离子电池中的循环寿命。甚至当合金中碳的量低于10重量％时，本发明所公开的粘合剂还可制造出具有提高的容量和降低的不可逆转容量的可充电锂离子电池。

本发明所公开的制备电极组合物的方法可提供用于形成阴极的组合物。特别要关注的是由本文所述的方法制备的包含钴、锡、碳和任选的铁的负极材料。

在本文中：

术语“一”、“一个”和“该”与“至少一种”可互换使用，指一种或多种被描述的要素；

“活性物质”是指可发生锂化反应和脱锂化反应的材料；

“合金”是指两种或多种元素的混合物，至少一种元素是金属，并且所得的材料具有金属性质；

“充电”是指向电池提供电化学能的过程；

“脱锂化”和“脱锂化反应”是指将锂从电极材料中去除的过程；

“放电”是指例如当使用电池执行所需工作时，将电化学能从电池中去除的过程；

“锂化”和“锂化反应”是指向电池材料添加锂的过程；

“金属”是指不管是元素态还是离子态的金属或诸如硅和碳的准金属；

“正极”是指在放电过程中发生电化学还原和锂化反应的电极(通常称为阴极)；

“纳米晶相”是指具有不大于约50纳米(nm)微晶的相；和

“负极”是指在放电过程中发生电化学氧化和脱锂化反应的电极(通常称为阳极)。

附图说明

图1a显示通过溅射制备的Sn₃₆Co₄₁C₂₃合金的X射线衍射(XRD)图案。

图1b显示了由碳粉末、钴粉末和CoSn₂合金粉末作为起始材料制备的Sn₃₀Co₃₀C₄₀样品的XRD图案。

图1c显示了由碳粉末和CoSn合金粉末制备的Sn₃₀Co₃₀C₄₀样品的衍射图案。