[发明专利]包含氧化锡的聚合物复合材料

说明书

发明描述

本发明涉及新的包含氧化锡的聚合物复合材料、其生产方法及其在生产锡-碳复合材料中的用途，该锡-碳复合材料包含至少一个无机含锡相，其中锡以元素形式或以氧化锡(II)形式或以其混合物形式存在；和碳相，其中碳以元素形式存在。这些锡-碳复合材料尤其适于生产用于电化学电池，尤其是锂电池的阳极材料。本发明还涉及用于生产本发明包含氧化锡的聚合物复合材料的化合物(单体)。

在移动性逐渐增加的社会中，移动电装置所起的作用越来越大。因此，许多年来，已发现电池组，尤其是可再充电电池组(称作二次电池组或蓄电器)可用于几乎所有生活领域中。现在存在对二次电池组在其电和机械性能方面的需求的复杂特性。例如，电子工业正需求具有高电容和高循环稳定性的新的、小的、轻质二次电池或电池组以实现长的寿命。此外，热敏感性和自放电速率应较低以确保高可靠性和效率。同时，需要在使用过程中具有高安全水平。汽车业还尤其对具有这些性能的锂二次电池组感兴趣且这些电池组将来可(例如)作为能量储存装置用于电操作的车辆或混合动力车辆中。此外，此处需要具有有利电动性能以便能够实现高电流密度的电池组。在新的电池组系统的研发中，还对能够以廉价方式生产可再充电电池组尤其感兴趣。环境方面还在新电池组系统的研发中起不断增长的作用。

现代高能量锂电池组的阴极现在通常包含作为电活性材料的尖晶石型锂-过渡金属氧化物或混合氧化物，例如LiCoO₂、LiNiO₂、LiNi_1-x-yCo_xM_yO₂(0<x<1，y<1，M为例如Al或Mn)或LiMn₂O₄、或例如磷酸锂铁。对于现代锂电池组的阳极的构造而言，过去数年中已证明使用锂-石墨插层化合物(Journal Electrochem.Soc.1990，2009)。此外，作为阳极材料，已检测锂-硅插层化合物、锂合金和钛酸锂(参见K.E.Aifantis，“Next generation anodes for secondary Li-ion batteries”，High Energy Density Li-Batteries，Wiley-VCH，2010，第129-162页)。在锂电池组中使用液体或者固体电解质将两个电极彼此组合。在锂电池组的(再)充电中，阴极材料被氧化(例如根据以下方程：LiCoO₂→nLi⁺+Li_(1-n)CoO₂+ne^-)。其由阴极材料释放锂且其以锂离子形式迁移至阳极，其中锂离子与阳极材料的还原相关，且在以锂离子形式插入的石墨情况下与石墨的还原相关。此时，锂占据石墨结构中的层间位点。在电池组放电过程中，键合于阳极内的锂由阳极以锂离子形式除去，且阳极材料发生氧化。锂离子经由电解质迁移至阴极且在其中与阴极材料的还原有关。在电池组放电过程中和在电池组再充电过程中，锂离子经由间隔件迁移。

然而，在Li离子电池组中使用石墨的情况下的一个重要缺点在于具有0.372Ah/g的理论上限的相对低的比电容。除石墨以外的石墨状碳材料也具有类似性能，例如炭黑，例如乙炔黑、灯黑、炉黑、焰黑、破裂黑(cracking black)、槽法炭黑或热裂法炭黑(thermal black)，和发亮碳(shiny carbon)或硬碳。此外，这些阳极材料在安全方面并非不具有问题。

在使用锂合金(例如Li_xSi、Li_xPb、Li_xSn、Li_xAl或Li_xSb合金)情况下可实现较高比电容。这些合金使得充电电容能够为石墨的充电电容的高达10倍(Li_xSi合金；参见R.A.Huggins，Proceedings of the Electrochemical society 87-1，1987，第356-64页)。这些合金的一个重要缺点为在充电/放电过程中其尺寸发生变化，这导致阳极材料崩解。由于所得阳极材料的比表面积增加产生的结果为由阳极材料与电解质的不可逆反应引起的电容损失和电池对热应力的敏感性增加，在极端情况下其可导致电池的强烈放热破坏且为安全风险。

使用锂作为电极材料由于安全原因而具有问题。更具体而言，在充电操作过程中沉积锂时，在阳极材料上形成锂树枝状晶体。这些锂树枝状晶体可在电池中导致短路且因此引起电池的不受控破坏。