[发明专利]锂离子电池的阳极

说明书

本发明涉及锂离子电池的阳极，该阳极包括体积容量≥800mAh/cmsupgt;3/supgt;的多孔阳极涂层和集电体，该多孔阳极涂层基于至少一种颗粒形式的活性材料(AM)、至少一种粘合剂、可选的石墨、可选的至少一种其它电子导电组分和可选的至少一种添加剂，其中含活性材料的颗粒由相对于含活性材料的颗粒的总重量为至少90wt.％的选自包含硅(Si)、锡(Sn)和铅(Pb)的组的元素组成，其特征在于，多孔阳极涂层具有在范围内的孔隙率其中Φsubgt;Opt/subgt;根据下式I确定，其中是非锂化活性材料相对于非锂化多孔阳极涂层的总体积的体积百分比，α是多孔阳极涂层中的活性材料的锂化程度，并且可以具有0α≤1的值，并且K表示对于硅3.00值、对于锡2.44的值、且对于铅2.22的值。

技术领域

本发明涉及具有多孔阳极(负极，anode)涂层的锂离子电池的阳极。

背景技术

可充电锂离子电池是目前最实用的电化学能量存储器，其具有例如高达250Wh/kg的最高重量能量密度。当电能被输出或存储在锂离子电池中时，在电池的阳极(有时也称为负电极)和阴极之间进行锂离子的传输。为此目的，电极材料必须包含孔，其中存在电解质作为锂离子传输的介质。因此，电解质的量决定了这种电池的最小孔隙率。常规锂离子电池含有石墨碳作为用于储存锂离子的活性电极材料。在掺入和释放锂离子期间，石墨碳不会经历任何显著的体积变化，因此不需要额外的孔隙率。

然而，石墨碳的缺点是其相对低的电化学容量，其在石墨的情况下不大于372mAh/g，因此仅相当于理论上可以使用锂金属实现的电化学容量的约十分之一。长期以来一直在寻找阳极的替代材料以增加锂离子电池的电化学容量，特别是在诸如与锂形成合金的硅、锡或铅的(半)金属领域并且与石墨(372mAh/g)相比具有高达4200mAh/g的特别高的材料容量。使用这些材料的一个巨大挑战是它们在锂的掺入或释放过程中经历的大的体积变化，因为这里例如硅、锡或铅的体积增加高达300％。这种极端的体积变化导致电极结构的严重机械应力，结果阳极/电极结构以及锂离子电池在充电和放电循环过程中受到越来越多的损坏。这最终导致在锂离子电池的每次充电或放电过程之后，锂离子电池的容量进一步降低；这也称为可逆容量的下降(衰减(fading))。

为了保护锂离子电池免受这种损坏，电极设置有额外的孔，这些孔用于在掺入锂离子时占据活性材料的体积增加。然而，该策略必然伴随着以下缺点：由于额外的孔，电极具有相应降低的材料密度，因此也具有较低的体积容量或相应的电池具有较低的能量密度。这与增加锂离子电池的电化学容量的目的背道而驰，该目的恰好是用具有高锂材料容量(例如硅、锡或铅)的(半)金属代替石墨碳的起点。

目前，高能锂离子电池的最佳石墨基(石墨类，基于石墨的，graphite-based)阳极的体积电极容量为600至650mAh/cm³。US2011183209教导了具有高能量密度的锂离子电池的具有例如15％的低孔隙率的阳极涂层。然而，由于高致密化和由此产生的低孔隙率，在可能的锂离子掺入和释放速度方面存在限制。

在这种背景下，存在为锂离子电池提供多孔含硅阳极的挑战，该阳极具有非常高的体积容量并且也遭受非常小的衰减。

为了解决与阳极活性材料的大体积膨胀相关的问题，锂离子存储活性材料在解决方案的一种方法中被封装在多孔复合材料中。复合材料的孔旨在吸收锂离子储存活性材料的体积膨胀，而不会改变复合材料颗粒的体积。然而，这种复合材料的生产是复杂的。此外，在一定位置和膨胀中以有针对性的方式将孔引入复合材料中使得每个活性材料颗粒的体积变化被完全吸收是一项挑战。US2014030599AA描述了多孔硅氧化物类复合材料作为活性材料，其中锂分散在复合材料中并且硅氧化物核涂覆有碳。复合材料的固有孔隙率为5-90％。US2015380733AA描述了一种用于锂离子电池负极的多孔活性材料，其基于由硅和金属硅化物组成的核以及由多孔硅组成的壳。壳的内部孔隙率为20-80％。此外，可以将碳层施加到表面上。