[发明专利]锂离子二次电池的负极

说明书

技术领域

本发明涉及用于锂离子可充电电池的负极活性材料，锂离子可充电电池的负极，其制造方法，以及锂离子可充电电池。

背景技术

广泛使用的便携式小型电气和电子设备采用锂离子可充电电池，相比诸如镍镉或镍氢可充电电池的碱性可充电电池，锂离子可充电电池具有较大的电动势和较高的能量密度。随着近年来对这些设备的性能和多功能性的改进，对电池的容量有了进一步的要求，对可充电电池的研发成为热门。

到目前为止，针对用于锂离子可充电电池的负极活性材料进行了各种研究。在这些材料中，作为用于负极活性材料的锂金属材料因其能够提供充足的电池容量而引起了人们的注意。然而，锂金属具有在电池充电时大量枝晶锂在锂表面沉积而降低充电/放电效率的电池问题，这会导致负极和正极的短路，金属锂还具有处理问题，例如锂本身的不稳定性和高活性。这些问题阻碍了锂金属的实际应用。

作为代替锂金属的用于负极活性材料的材料，碳质材料已经投入实际应用。相比锂金属或锂合金，碳质材料由于充电/放电而产生的膨胀/收缩比较低，但是相比锂金属，碳质材料的电池容量较小(理论上大约372mAh/g)。

就这一点而言，期望的大容量材料是硅和锡。相比碳质材料，硅和锡材料具有较大的电池容量，并且已经成为积极探索的主题。然而，硅和锡材料由于充电/放电而产生的膨胀/收缩比较高，并且当用作负极活性材料时会从集电体脱离，这引起较短的电池寿命以及较大的不可逆容量。在试图解决这些问题的过程中，为了抑制膨胀/收缩并减小电池寿命缩短和不可逆容量，将硅或锡与其他元素合金化，或者与碳混合。

例如，专利文献1提出了一种包含Li、Si和C的负极活性材料。这种负极活性材料具有良好的循环特性，但是其容量低于碳质材料容量的一半。

专利文献2提出了一种用M_100-xSi_x(M＝Ni，Fe，Co，Mn)表示的负极活性材料。这种材料是由特殊的不可燃过渡金属元素和金属硅构成的硅化物，因此安全性更高。然而，这种材料的容量仅有672mAh/g，大约为多晶硅的4200mAh/g的理论容量的六分之一。

专利文献1：JPH07302588A

专利文献2：JPH10294112A

发明内容

本发明的一个目的是提供用于锂离子可充电电池的负极活性材料和负极，当用于锂离子可充电电池时，该负极活性材料和负极能够提供优异的充电/放电容量和循环特性，以及高倍率性能。

本发明的另一个目的是提供一种吸收/释放Li的锂离子可充电电池，其具有大的充电/放电容量和优异的循环特性。

本发明的又一个目的是提供一种吸收/释放Li的锂离子可充电电池，其具有大的充电/放电容量和优异的循环特性，还具有高的倍率性能，可实现高速充电/放电。

为了解决上述问题，发明人针对包含由多种金属元素组合构成的负极活性材料的锂离子可充电电池的电极，从电极成分、电极容量和循环特性的角度进行了详细的研究，发现包含特定量的稀土元素和Si和/或Ge且具有特定结晶相的合金能够解决该问题并且实现本发明。

根据本发明，提供了一种用于锂离子可充电电池的负极活性材料(在下文中有时称为本发明的负极活性材料)，其包含具有用RA_x表示的结晶相以及由A构成的结晶相的粒子，其中，R是从由包括Sc和Y但是排除La的稀土元素组成的组中选择的至少一种元素，A是Si和/或Ge，以及x满足1.0≤x≤2.0。

根据本发明，还提供了一种包含集电体和活性材料层的用于锂离子可充电电池的负极(在下文中有时称为本发明的负极)，所述活性材料层包含本发明的负极活性材料。

根据本发明，还提供了一种制造本发明的负极的方法，包括：通过气相沉积将本发明的负极活性材料沉积在集电体表面以形成活性材料层。

根据本发明，也提供了一种包括本发明的负极、正极、分离器和电解质的锂离子可充电电池(在下文中有时称为本发明的可充电电池)。

当本发明的具有特定成分和结晶相的负极活性材料构成的负极用于锂离子可充电电池时，该负极活性材料能够为可充电电池提供优异的充电/放电容量和循环特性，并且具有高倍率性能，实现高速充电/放电。

附图说明

图1是用于说明气相沉积系统的示意图。

图2是用于说明本发明的负极的实施例的负极截面结构示意图。

图3是实施例1、3、5和6所获得的负极的充电/放电曲线图。