[发明专利]具有均匀的金属-半导体合金层的阳极材料

说明书

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2009/041012，国际申请日为2009年4月17日，进入中国国家阶段的申请号为200980113838.9，发明名称为“具有均匀的金属-半导体合金层的阳极材料”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及具有均匀的金属-半导体合金层的阳极材料，以及该阳极材料的制备方法。所述阳极材料可以用于非水性电解质二次电池。

背景技术

非水性电解质二次电池是一种可再充电的电池，其中离子通过非水性电解质在阳极和阴极之间移动。非水性电解质二次电池包括锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池，以及其它种类的电池。

锂离子电池是一种普通种类的非水性电解质二次电池，其中锂离子通过电解质在阳极和阴极之间移动。锂离子电池的益处和难题是其它的非水性电解质二次电池的益处和难题的示例；以下实施例示例性地涉及锂离子电池，但是不限于此。在锂离子电池中，在放电过程中，锂离子从阳极移动到阴极，在充电时，锂离子从阴极移动到阳极。由于锂离子电池具有高能量密度，高功率以及长储藏寿命，因此是人们非常需要的能源。锂离子电池常用于消费用的电子装置中，由于其具有高能量-重量比，无记忆效应，以及在不使用的情况下充电损失缓慢，因此它们是目前最普遍用于便携式电子装置的电池种类之一。由于这些优点，锂离子电池日益广泛地用于各种应用，包括汽车，军用，以及航天应用。

图1是现有技术的锂离子电池的截面图。所述电池15具有阴极集电器10，在其上装有阴极11。所述阴极集电器10上覆盖着隔离片12，在隔离片上设置有阳极集电器13和阳极14的组合件。所述隔离片12中填充了电解质，所述电解质能够在阳极和阴极之间传输离子。所述集电器10，13用来收集电池15产生的电能，将其与外界装置相连，这样外界装置能够获得电能，以及在再充电过程中将电能传输给电池。

非水性电解质二次电池的阳极可以由复合的或整体型的阳极材料制成。在复合阳极中，实际上用粘合剂将颗粒状阳极材料结合在一起，形成颗粒和粘合剂的基质。例如，可以用聚合物粘合剂将碳颗粒结合在一起，从而制成阳极。整体型阳极是并非通过加入物理粘合剂材料制造的阳极。例如，可以使用任意制造硅阳极的方法，其中在不使用外加粘合剂的情况下，将硅分子互相连接，形成整体型膜。整体型阳极材料的例子包括单晶硅，多晶硅和无定形硅。也可以通过对阳极材料的颗粒进行熔融或烧结，或者通过真空沉积和化学沉积，形成整体型阳极。

在对锂离子电池进行充电的过程中，锂离开阴极，以锂离子的形式通过隔离片中的电解质，然后进入阳极。在放电过程中，锂离子离开阳极材料，移动通过隔离片中的电解质，到达阴极。铝、硅、锗和锡之类的元素能够与锂离子反应，用于高容量阳极中。能够与锂反应的阳极材料具有活性区域和非活性区域，在活性区域中，锂可以反应，而在非活性区域中，锂不会反应。阳极的活性区域与非活性区域之比会影响电池的效率。

对于锂离子在锂活性材料中的反应，已反应状态和提取状态之间存在显著的体积差异；已反应状态(reacted state)的锂活性阳极材料占据的体积显著大于提取状态(extracted state)。因此，在每个充-放电循环中，阳极体积有很大比例的变化。在锂活性阳极中，在循环的体积变化过程中，经常会在阳极材料中形成裂纹。随着重复的循环，这些裂纹会蔓延，使得一些部分的阳极材料从阳极上分离。因循环而造成一些阳极部分的分离被称为剥落。剥落导致与电池的集电器电连接的活性阳极材料的量减少，从而造成容量损失。

由于硅对于锂来说具有高的容量，因此硅阳极是极佳的用于锂离子电池的备选材料，但是由于循环剥落，会使得硅阳极的容量发生显著的降低。通过减小锂离子电池中的硅阳极上施加的充-放电电压窗口范围，可以阻止由于循环造成的容量损失，这是因为膨胀和收缩会随着电荷状态变化。但是通过减小充-放电电压窗口范围也会降低电池的工作能力。而且，硅是一种不良导体，经常必须与导电性添加剂一起配制才能用作阳极材料。这些导电性添加剂减小了活性区域-非活性区域之比，从而降低了电池的能量密度。导电性添加剂是常规材料，例如炭黑，在粘合阳极颗粒之前，将其加入所述阳极颗粒中并进行混合。