[发明专利]作为锂离子和锂硫电池的负极材料的相分离硅锡复合物

说明书

本申请是2011年9月16日提交的系列号No.13/234209(其现在美国专利申请公开号是No.2013-0071736)的部分继续申请。引入该申请的全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及适用于锂离子和锂硫电池的负极材料的制备。更具体的，本发明涉及复合粒子的制备和使用，该粒子包含包埋在晶体或非晶锡相中的非晶硅相的纳米尺度的岛，用作负极材料，用于在锂离子电池或锂硫电池运行期间插入和释放锂。锡和硅的合适原子比以及该复合物中各个相的尺寸的组合能够在重复的电化学循环中插入更多数量的锂，而对粒状负极材料产生更小的损害。

背景技术

锂离子电池被用作驱动电动和混合电动车辆的蓄电系统。这些电池包括多个适当互连的电化学单电池(Cell)，其设置成以特定电势提供预定电流。在这些单电池中，以锂离子的形式运输锂，从负极通过非水的含锂电解液到达接收锂离子的正极，随之，电流从该电池传输到外界负载例如电牵引马达。采用合适的多孔隔板材料来防止电极间的短路物理接触，该隔板渗透有电解液并且电解质中的锂离子能够透过其传输。石墨用作负极材料，并结合在铜集流体上的薄电极层中。在单电池充电期间，锂插入石墨中(嵌锂，形成LiC₆，约372mAh/g)并在放电期间从石墨化碳中释放(脱锂)。用于在每个单电池放电期间接收并储存所插入的锂的合适的粒状材料用作正极材料。该正极材料的示例包括氧化钴锂(LiCoO₂)、尖晶石锂过渡金属氧化物例如尖晶石氧化锰锂(LiMn_XO_Y)、锂聚阴离子例如镍锰钴氧化物[Li(Ni_XMn_YCo_Z)O₂]、磷酸铁锂(LiFePO₄)、或氟磷酸锂(Li₂FePO₄F)、或这些材料的任意混合物。通常将合适的正极材料粘结成铝集流体上的一个薄层。这些锂离子单电池的电化学势通常在约2至4.5伏范围内。

将锂离子电池用于驱动机动车辆的电动马达需要更高的重量和/或体积容量的电池。虽然石墨化碳是用于锂离子单电池的耐用且实用的锂嵌入负极材料，但是其对于这种锂插入具有相对低的容量。其他潜在的负极材料例如硅(理论容量，对于Li₁₅Si₄为3600mAh/g)以及锡(理论容量，对于Li₂₂Sn₅为992mAh/g)对于锂插入具有比石墨更高的理论容量。然而，在嵌锂和脱锂过程中硅存在高达300体积百分比的体积变化，这导致活性硅材料的破裂和/或与导电添加剂或集流体的电接触的损失。并且锡在嵌锂时也存在同样的大体积膨胀的问题，导致快速的容量衰退。

锂硫电池，与锂离子电池一样，是可再充电的。由于其高能量密度也值得关注。锂的低原子量以及硫的适中重量使得锂硫电池相对轻。与锂离子单电池一样，该锂硫单电池的阳极或负极包括锂。在锂硫单电池放电时，锂从阳极表面溶解到电解质中，在电解质(例如，熔融或液态碱金属聚硫化物盐)中传输，通过多孔隔板到达具有聚硫化物(例如，S₈)的阴极(单电池放电时的正极)。一旦到达阴极，锂原子逐步将聚硫化物还原为锂硫复合物(例如，Li₂S₃)。在锂硫单电池充电时该化学变化反转。锂硫单电池的轻量和高能量密度使得锂硫电池成为车辆动力系统和其他电能消耗设备的好的候选。

由于单电池中电极材料的破裂导致的电池容量损失的主要机理是与导电材料电接触的损失以及新表面的建立，这不可逆的消耗活性锂来形成新的固体电解质界面。这两个问题缩短了电池的有效循环容量。仍然需要在锂离子单电池和锂硫单电池的负极中利用硅或锡的更有效的方法或材料形式。

发明内容