[发明专利]锂电池高比表面积碳/金属氧化物复合电极材料、电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池的高比表面积碳/金属氧化物复合电极材料、电极及其制备方法。

背景技术

锂电池是目前电动汽车的核心部件，作为技术相对成熟的绿色能源，受到越来越多的关注。由超级电容和锂电池组成的混合系统，可以结合两者的优势而实现大功率高能量的存储。例如，在电动汽车中，超级电容可以在加速和爬坡过程中提供能量，并且将刹车时电机反转的能源存储起来；而锂电池则为汽车持续的长距离行驶提供能量。但是，锂电池目前仍面临诸多问题，其中一个最大的问题是电极的容量和稳定性。在传统的锂电池阳极中，通常使用石墨作为材料，其理论值容量仅为380mAh/g，不能很好的满足目前日益增长的容量要求。

除碳基或石墨基阳极材料外，对于潜在阳极的应用，已进行了其他材料的研究，例如包括金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物等的无机材料，以及可接纳锂原子/离子的一系列金属、金属合金和金属间化合物。特别地，将具有组成式Li_aA(A为金属例如Al，且“a”满足0＜a＜5)的锂合金作为潜在阳极材料进行了研究。这类阳极材料具有较高理论容量，例如Li₄Si(3,829mAh/g)、Li_4.4Si(4,200mAh/g)、Li_4.4Ge(1,623mAh/g)、Li_4.4Sn(993mAh/g)、Li₃Cd(715mAh/g)、Li₃Sb(660mAh/g)、Li_4.4Pb(569mAh/g)、LiZn(410mAh/g)和Li₃Bi(385mAh/g)。然而，对于由这些材料构成的阳极，由于锂离子吸附和解吸附期间阳极的膨胀和收缩，随着充电和放电循环的进行发生粉碎(合金颗粒的破碎)。所述膨胀和收缩还倾向于导致颗粒与颗粒的接触或者阳极和其集流体之间的接触减少或失去。这些不利作用导致显著缩短的充电-放电循环寿命。

为克服与这样的机械劣化有关的问题，提出了将由负载有较少活性或非活性基质的小电化学活性颗粒构成的复合物用作阳极材料。这些活性颗粒的例子是Si、Sn、SnO₂、TiO₂、SiO₂、MnO₂、CuO、Co₃O₄、NiO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、ZnO、MoO₃、RuO₂或WO₃。然而，大多数现有技术的复合电极在某些方面具有缺陷，例如，在大多数情形中，低于令人满意的可逆容量、差的循环稳定性、高的不可逆容量、在锂离子插入和脱出步骤期间降低内应力或应变的无效性、和/或不希望的副作用。

例如，如Jacobs等人在美国专利No.6,007,945(1999年12月28日)中所公开，在可再充电锂电池的负电极中使用二氧化钛和二氧化锡的固溶体作为阳极活性物质。按上述制造的负电极的密度为3.65g/cm³，并且发现含有39∶61重量比的TiO₂-SnO₂的负电极的可逆容量为1130mAh/cm³。这等同于309.6mAh/g，尽管计算出所获得的可再充电锂电池具有207瓦-小时/升的能量密度。此外，在充电-放电循环期间阳极材料的纳米颗粒与电解质反应，导致降低的长期效用。

如Fauteux等人在美国专利No.6,143,448(2000年11月7日)中所述，通过在水中将碳与金属盐混合，接着进行蒸发、加热和进一步处理，形成复合物。该过程产生了具有许高比表面积隙的复合物，所述孔隙不总是优选的。报导了最佳的可得容量为750-2,000mAh/cm³。对于4g/cm³的密度，这暗示着最大容量为500mAh/g。

在美国专利No.6,103,393(2000年8月15日)中，Kodas等人通过将反应物混合，使该混合物成为气溶胶并然后加热来提供碳-金属颗粒。每个颗粒含有碳相和金属相。该研究主要涉及用于电催化目的(例如用于燃料电池应用)的碳负载的铂、银、钯、钌、锇和它们的合金。