[发明专利]结构化粒子

说明书

发明领域

本发明涉及包含被若干大孔穿通的主体的粒子、制备所述粒子的方法和所述粒子在可再充电的金属离子电池组中的应用。

发明背景

可再充电的锂离子电池组广泛地应用于便携式电子装置如移动电话和笔记本中，并且正在发现在电动汽车或混合动力电汽车中日益增加的用途。然而，对于提供每单位质量和/或每单位体积存储更多能量的电池组，存在着正在发展的需要。在移动装置中，体积能量容量是重要的，而在汽车用途中，重量能量容量和充电/放电率性能通常是更重要的。

传统锂-离子可再充电的电池组电池的结构示于图1中。电池组电池包括单一的电池，但是也可以包括多于一个电池。其他金属离子的电池组也是已知的，例如钠离子和镁离子电池组，并且具有基本上相同的电池结构。

电池组电池包含用于阳极的集流体10，例如铜，和用于阴极的集流体12，例如铝，它们两者都是合适时可外部连接到负载或再充电电源的。复合材料阳极层14覆盖集流体10，且含锂的金属氧化物基复合材料阴极层16覆盖集流体12(为避免任何疑问，在将电池组跨越负载放置的意义上使用如本文所使用的术语“阳极”和“阴极”——在此意义上，负电极被称为阳极且正电极被称为阴极)。

阴极包含能够释放和再吸收锂离子的材料，例如锂基金属氧化物或磷酸盐、LiCoO₂、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、LiMn_xNi_xCo_1-2xO₂或LiFePO₄。

在石墨基复合材料阳极层14和含锂的金属氧化物基复合材料阴极层16之间，设置多孔的塑料隔离片或隔板20。将液体电解质材料分散在多孔的塑料隔离片或隔板20、复合材料阳极层14和复合材料阴极层16内部。在一些情况下，可以用聚合物电解质材料替换多孔的塑料隔离片或隔板20，并且在这样的情况下，聚合物电解质材料在复合材料阳极层14和复合材料阴极层16两者内部存在。聚合物电解质材料可以是固体聚合物电解质或凝胶型聚合物电解质，并且可以将隔板并入。

当电池组电池充满电时，锂已经被从含锂的金属氧化物阴极层16经由电解质输送到了阳极层14中。在石墨基阳极层的情况下，锂与石墨反应而形成化合物LiC₆。石墨，作为在复合材料阳极层中的电化学活性材料，具有372mAh/g的最大容量。(如本文所使用的“活性材料”或“电活性材料”表示一种这样的材料，其在电池组的分别的充电阶段和放电阶段，能够将金属离子如锂、钠、钾、钙或镁插入其结构中和从其中释放。优选地，该材料能够插入并且释放锂。)

硅基活性阳极材料的应用在本领域也是已知的。硅具有比石墨显著更高的最大容量。然而，不像在金属离子的插入和释放过程中保持基本上不被改变的活性石墨，向硅中插入金属离子的过程导致实质的结构改变，伴有显著的膨胀。例如，锂离子向硅中的插入导致Si-Li合金的形成。在例如“用于可再充电的锂电池组的插入电极材料(InsertionElectrodeMaterialsforRechargeableLithiumBatteries)”，Winter等，Adv.Mater.1988，10，第10期，725-763页中，描述了Li离子插入对阳极材料的影响。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种用于用作金属离子电池组的活性组分的包含穿通粒子的粉末，所述穿通粒子各自包含粒子主体和至少一个延伸通过所述粒子主体的通道，其中所述穿通粒子具有至少3∶1的平均长径比、不大于3μm的平均厚度，且所述通道具有至少30nm的平均宽度。

在第二方面中，本发明提供了一种组合物，所述组合物包含根据第一方面的粉末和至少一种另外的组分。

在第三方面中，本发明提供了一种浆料，所述浆料包含溶剂和根据第一方面的粉末或根据第二方面的组合物。

在第四方面中，本发明提供了一种电极，所述电极包含根据第二方面的组合物。

在第五方面中，本发明提供了一种金属离子电池组，所述金属离子电池组包含阳极、阴极和在所述阳极与阴极之间的电解质，其中所述阳极包含根据第一方面所述的粉末或根据第二方面所述的组合物。

在第六方面中，本发明提供了一种形成根据第五方面所述的金属离子电池组的方法，所述方法包括通过沉积根据第三方面所述的浆料并蒸发所述溶剂而形成所述阳极的步骤。