[发明专利]IVA族官能化粒子及其使用方法

说明书

本申请是发明专利申请201380054618.X的分案申请，原申请的申请日为2013年08月21日，申请号为201380054618.X，发明名称为《IVA族官能化粒子及其使用方法》。

【优先权声明】

此是2012年8月21日提出申请的非临时美国专利申请案第61/691,641号、2013年3月6日提出申请的美国专利申请案第61/773,270号及2013年4月24日提出申请的美国专利申请案第61/815,654号，所有该等的内容均以引用的方式全部并入本文中。

技术领域

本发明概言之是关于一种官能化IVA族粒子，更特定而言，是关于一种借由一共价键结的非介电碳氢化合物层钝化的IVA族粒子、制备该IVA族粒子的方法、及使用该IVA族粒子的方法。本发明亦关于多孔共价骨架与共价键结的IVA族粒子的合并、及在电池技术中使用该多孔共价骨架的方法。

背景技术

电池是一种电化学能量储存装置。电池可归类为一次(不可再充电)或二次(可再充电)电池。在任一情形中，完全充电后的电池在其经历一氧化/还原过程时递送电力且允许电子在该电池的负极与正极之间流动。

锂离子电池可制成二次电池；此意味着其可借由在相反方向上驱动电流并在阳极处将锂离子还原为Li°进行再充电。图1显示一锂离子电池的一般示意图。所显示的离子及电子的移动方向代表“充电”。放电循环将显示出在相反方向上移动的离子。迁移至阳极中的锂离子遇到借助闭合电路朝向该阳极移动的电子，由此将Li⁺还原为Li°(锂金属)。Li°的直径实际上远大于Li⁺，此乃因其捕捉的电子占据其2S轨道。因此，锂金属占据了大量的空间。现有碳阳极将经还原锂容纳于石墨层之间。石墨可视为6员碳环的2-D阵列，其形成容易地于彼此之上滑动的“薄片”。完全充电时，一石墨阳极能够容纳该体积的锂，而不会强加超过石墨薄片的该等薄片之间已存在的固有空间的特别需求。

由于Li⁺需要极少空间(如同将沙子添加至一桶碎石一样)，因此对阴极没有此等特殊需求。构成阴极的金属氧化物及/或磷酸盐停留于适当位置。但仅有限数量的Li⁺离子(通常一或两个)可与各金属氧化物团簇配对。因此，该阴极的更大空间需求限制比充电容量(电荷/克或电荷/立方毫米)。单就大小及分子质量的观点来看，锂是用于必须小且轻的电池的理想元素。此外，在所有元素中锂具有最高的氧化还原电位差。

平均阴极组合物(average cathode composition)通常具有较低充电容量，因此当与最常见的阳极复合物，即石墨匹配时需要更大的尺寸(及重量)。因而，大多数研究已致力于开发更好的阴极。

部分研究者已寻求利用硅基材料来开发用于锂离子电池的替代性阳极。已知硅(Si)吸引锂的能力远优于传统电池中所用的碳(372毫安培小时/克(mAh/g)，对Si的4,212毫安培小时/克]。然而，尚未有使用Si的商业电池成功问世，此乃因尚未找到防止Si复合物在仅几个再充电循环之后即发生机械失效(mechanical failure)的适宜结构之故。尤其，硅的有限结构形式，加上锂对硅的强吸引力，在几个充电/再充电循环之后即会由于体积膨胀而导致机械故障。

因此，业内需要对现有电池技术进行改良的新材料及方法。特定而言，业内需一种可以提供适宜多孔骨架以满足锂在锂离子电池的阳极处累积的空间需求且具有良好电荷载子迁移率的材料。

另外还需要可有效并经济地自丰富且易获得的原料制得的纳米粒子材料。尽管粒径控制已使用诸如电浆增强的化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)及离子束沉积(IBD)等方法展现，但使用该等方法的商业生产通常涉及原位膜制造。IVA族纳米粒子粉末仅在极有限规格范围中是商业上可得的且仅具有介电钝化。该等产品是昂贵的，因为其生产需要大量的生产设备资金成本及生产中的高能量成本。

发明内容

在一方面，揭示一种官能化IVA族粒子。该IVA族粒子可借由覆盖该IVA族粒子的表面的至少一部分的非介电层钝化。