[发明专利]制备用于负极组合物的锡基合金的方法

说明书

技术领域

本发明提供了粉末研磨技术、由此形成的锡基合金以及这种合金作为用于锂离子电池的电极组合物的用途。

背景技术

砾磨机为特征在于在水平轴上旋转的圆柱形或锥形容器的一类球磨机。砾磨机可具有钢内壁，但通常带有陶瓷、橡胶、塑料或其他材料的内衬。砾磨机与通常为钢或陶瓷的研磨介质结合使用，但可使用其他研磨介质。

砾磨机可为从广口瓶一端的可密封口装料的圆柱形广口瓶的形式。在研磨过程中，通常将较小的砾磨机置于供电的辊组上。较大的砾磨机通常由圆柱形容器组成，所述圆柱形容器沿其纵向轴线水平安装在销上，并通过轴、齿轮或束带驱动。这种砾磨机常常还包括包封所述研磨容器的固定覆盖物。所述覆盖物允许在容器旋转的同时进行磨机的卸料。砾磨机容器有时具有双壁以允许对研磨容器进行水冷，具有升降机以防止介质在容器内壁上滑动，和/或具有口以允许在操作过程中进行气体吹扫。

砾磨机常用于将粉末磨削至细小粒度，或在溶剂中分散粉末或颜料。在常规干磨削操作中，通常用研磨介质和待磨削的粉末(通常称为研磨基料(millbase))的混合物将砾磨机填充至其体积的一半。研磨介质通常为三类：球形、圆柱形或不规则。在球形研磨介质的情况中，研磨介质与研磨基料的体积比通常为30∶20。设定容器的旋转速度使得容器内的介质形成连续泻流(cascade)，泻流角相对于水平面在45-60°范围内。由于这些条件对于粉末的有效研磨是最佳的，因此它们被广泛使用。在较高旋转速度下，介质趋于在容器内射向空中。在甚至更高的旋转速度下，介质可通过离心力而变得压在容器的侧面。介质变得压在容器侧面时的以转数/分钟(rpm)计的理论旋转速度称为磨机的临界速度，并由下式给出：

rpm_临界＝54.2/R^0.5

其中R为以英尺表示的研磨容器的内径。

发明内容

由于锡的低熔点，相比于硅基合金，通常更难以制备纳米结构化的锡基合金。尽管可用于锂离子电化学电池的负极的锡基合金组合物是已知的，但它们在一定程度上难以加工且相对较昂贵。需要的是一种制备可用作负极材料的纳米结构化的锡基合金的经济方法。

在一方面，提供了一种制备基本上不含硅的纳米结构化的合金粒子的方法，所述方法包括：在容纳有研磨介质的砾磨机中研磨研磨基料以提供纳米结构化的合金粒子，其中所述研磨基料包含锡以及碳或过渡金属中的至少一种，并且其中所述纳米结构化的合金粒子基本上不含尺寸大于50纳米的晶畴。

在另一方面，提供了一种制备用于锂离子电化学电池的负极组合物的方法，所述方法包括在砾磨机中研磨研磨基料，以及将纳米结构化的合金粒子分散于包含聚合物粘合剂的浆料中，以及将所述浆料涂布于金属集电器上以提供负极，其中所述研磨基料包含锡、以及碳或过渡金属的至少一种，其中所述纳米结构化的合金粒子基本上不含尺寸大于500纳米的晶畴。

在一些实施例中，研磨介质与研磨基料的体积比大于1.5∶1。在一些实施例中，研磨介质与研磨基料的体积比大于5∶1。在一些实施例中，纳米结构化的合金粒子为无定形的。在一些实施例中，砾磨机与组合的研磨介质和研磨基料的体积比为2∶1或更小。在一些实施例中，砾磨机具有理论临界速度，且其中砾磨机具有在理论临界速度的50％至140％范围内的旋转速度。在一些实施例中，砾磨机具有0.01至0.3焦耳范围内的最大冲击能。在一些实施例中，砾磨机具有带有温度的容纳壁(containment wall)，其中所述温度保持在100℃或以下。在一些实施例中，砾磨机具有钢内壁。在一些实施例中，砾磨机具有陶瓷或陶瓷内衬的容纳壁。

在一些实施例中，纳米结构化的合金粒子包含锡、碳和过渡金属。在一些实施例中，研磨基料包含铁、钴或其组合。在一些实施例中，砾磨机还含有研磨助剂，所述研磨助剂包含饱和高级脂肪酸或其盐。在一些实施例中，研磨助剂包含硬脂酸。在一些实施例中，纳米结构化的合金粒子适用于用作锂离子电池中的负极组合物的活性材料。在一些实施例中，纳米结构化的合金粒子包含至少10、20、30、40、50、60或甚至70重量％的锡或更多。它们基本上不含硅。

本发明中所用的：

术语“合金”指具有一个或多个金属相并包含两种或更多种金属元素的物质；

术语“金属化合物”指包含至少一种金属元素的化合物；

术语“合金化”指形成合金的过程；

应用于材料的术语“无定形”意指通过x射线衍射观察，材料缺乏结晶材料特征性的原子长程有序；

术语“脱锂化”指从电极材料去除锂的过程；