[发明专利]复合物负极材料

说明书

技术领域

本发明涉及对制备用于锂离子电化学电池的负极有用的组合物。

背景技术

最近，已构造了在负极包含合金电化学活性材料的高能锂离子电池。这些材料通常具有比单独石墨更高的重量和体积能量密度。合金阳极材料通常为Si或Sn-基的并且包含电化学活性组分和电化学非活性组分。电化学非活性组分限制了颗粒的体积膨胀。例如，当完全锂化时Si可以膨胀280％(2194mAh/cc容量)，而Si/电化学非活性40/60二组分合金将具有约112％的体积膨胀(1573Ah/L容量)。这种作用是简单稀释。总容量随着电化学非活性组分的加入线性降低。合金阳极材料的不期望的性能是它们可以在低电压下催化电化学还原。

合金阳极材料通常为无定形或纳米晶以改善循环性能。这些微结构通常是通过熔体纺丝、机械研磨或溅射制备的。在这些方法中，熔体纺丝和机械研磨是商业上最可用的。

需要耐体积膨胀并且具有高体积和重量能量密度的合金阳极材料。还需要具有相对低表面积和低于常规材料的表面反应性的合金阳极材料。

发明内容

提供了复合物颗粒，其包含含有硅的活性金属相、绝缘相和导电相，当掺入到在锂离子电化学电池中使用的负极中时所述复合物颗粒可以是有用的。所提供的颗粒可以具有优于用作负极的纯合金粉末的多种优势。这些复合物的一些实施例可以形成低表面积粉末。与纯合金阳极材料相比，所提供的复合物颗粒催化电解质分解的可能性还可以更小。

在一个方面，提供了复合物颗粒，其包含电化学活性金属相、绝缘相和导电相，其中所述电化学活性金属相包含硅并且占所述复合物颗粒体积的比例小于50体积％，并且其中所述绝缘相占所述复合物颗粒体积的比例小于50体积％。在一些实施例中，所述绝缘相可以占所述复合物颗粒体积的至少10体积％。所述复合物颗粒可以具有包含平均最长尺寸小于约50纳米的晶粒的相。所述相可以在整个颗粒中基本均匀分布。

包含硅的活性相是在锂离子电池正常运行期间所述复合物中与锂反应的唯一的相。所述绝缘和导电相在锂离子电池正常运行时对锂是电化学非活性的。与锂反应的不期望的相的实例为NiO。NiO与锂的反应导致NiO分解为镍金属和Li₂O。在该反应中消耗的锂只可以在比负极材料正常运行电压更高的电压下除去，从而导致不期望的高不可逆电池容量。

在另一方面，提供了形成包含电化学活性金属相、绝缘相和导电相的复合物颗粒的方法，所述方法包括提供前体材料并机械研磨所述前体材料以形成包含电化学活性金属相、绝缘相和导电相的复合物颗粒。所述前体材料可以包含电化学活性金属相、绝缘相和导电相。作为另外一种选择，所述前体材料可以包含在机械研磨工艺期间形成电化学活性金属相、绝缘相和导电相的化学元素和化合物。

在本公开中：

“活性金属相”或“电化学活性金属相”或“电化学活性相”或“活性相”是指包含至少一种电化学活性金属的相或域；

“非活性金属相”或“电化学非活性金属相”或“电化学非活性相”或“非活性相”是指不包含至少一种电化学活性金属的相或域；

“导电相”是指具有显著高电导率的域，其包括金属导体、半金属和半导体，但它是基本无电化学活性的；

“电化学活性”是指在相对于锂金属的0V至2V之间的电压下可以与锂电化学反应或成合金的材料；

“电化学非活性”是指在相对于锂金属的0V至2V之间的电压下不与锂电化学反应或成合金的材料；

“绝缘相”是指基本不导电并且基本无电化学活性的域；

“锂化”和“锂化反应”是指将锂添加到电极材料的过程；

“脱锂化”和“脱锂化反应”是指将锂从电极材料中移除的过程；

“充电”和“进行充电”是指为电池提供电化学能量的过程；

“放电”和“进行放电”指从电池移除电化学能量的过程，例如在使用电池进行所需的工作时；

“正极”指放电过程中发生电化学还原反应和锂化反应的电极(通常称为阴极)；和

“负极”是指放电过程中发生电化学氧化反应和脱锂化反应的电极(通常称为阳极)。

当在用于锂离子电化学电池的负极中使用时，所提供的复合物颗粒可以是有用的。它们可以耐体积膨胀并且可以具有高体积和重量能量密度。它们还可以具有相对低表面积和低于常规材料的表面反应性。

以上内容并非意图描述本发明每种实施方式的每个公开实施例。附图说明和随后的具体实施方式更具体地对示例性实施例进行了举例说明。

附图说明