[发明专利]复合硅或复合锡颗粒

说明书

本说明书涉及用于存储锂的复合颗粒。所述复合颗粒用于电化学电池中。所述复合颗粒包括所述复合颗粒的表面上的金属氧化物、大约小于或等于40微米的主要尺寸，和通式MM’Z，其中M选自Si和Sn，M’选自Mn、Mg、Al、Mo、青铜、Be、Ti、Cu、Ce、Li、Fe、Ni、Zn、Co、Zr、K和Na，并且Z选自O、Cl、P、C、S、H和F。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年2月14日提交的美国临时专利No.61/598,681的优先权。

发明背景

所公开的技术整体上涉及用于将锂存储于诸如可充电锂电池组中的复合硅或复合锡颗粒。传统上，电池组将石墨或其它基于碳的复合物用作阳极。石墨碳由于其相对于锂的低电压、高传导性、相宜循环寿命和广泛可用性在历史上表现良好。然而，对于待进一步改善的锂离子电池组的性能，重要的是实现能够存储更大量的锂的经济材料并且提供比石墨更高的能量密度和比容量。最近以来，通过将Sn和Si与不同金属或合金以及碳混合以制备复合物，电池组已开始使用基于Sn和Si的阳极。

存在有数类的Si和Sn材料。例如，一类的Si材料利用蚀刻方法来产生多孔硅而形成。该蚀刻方法利用强酸例如HF/HNO3以在纯硅晶体中制备孔。其它蚀刻方法蚀刻纯硅以制备高性能锂二次电池组中所用的多孔三维硅颗粒。再者，这些蚀刻方法使用HF酸。

另一类的Si可为纳米微晶。这些纳米微晶可通过超快冷却铝合金的熔体并然后执行两个蚀刻步骤而形成。第一是将铝蚀刻远离硅，然后第二将孔隙蚀刻成纳米微晶的群。另一类的基于硅的阳极材料通过在硅材料周围产生金属基体或金属化合物涂层而形成。这类的Si可用作可充电锂电池组的负极活性材料。

发明概要

本说明书描述了涉及用于电化学电池中的复合硅或复合锡颗粒的技术和用于制备其的方法。所公开技术的复合硅或复合锡颗粒形成组合物，该组合物具有(i)用于简单SEI(固体电解质界面)形成的纹理化表面，(ii)原子溶解度以改善颗粒的固有传导性以使得形成自这些颗粒的电池组可用于高程度应用，和(iii)用于电解质反应性的选择性纹理化的表面。

所公开技术的复合硅或复合锡颗粒还具有高表面积，其中微米大小原生颗粒大小由芯组合物构成，该芯组合物封装于提供用于电池的稳定循环的另一种组合物内，该电池还增强SEI层的形成并且在循环期间稳定SEI层。

复合硅或复合锡颗粒的结构具有以阵列布置的柱，以使得这些柱在结晶学上结合并且延伸入空间中，从而提供用于适应于体积膨胀的微晶延伸部之间的分离。

复合硅或复合锡颗粒可具有(1)由于开放结构的至少10m2/g的表面积，(2)大于20m2/g的总表面积，(3)大于50％的具有枝状晶体的复合硅或复合锡颗粒，其中每个指状物具有至少10倍于直径的长度，和(4)大于30％的指状物，这些指状物在相同晶体学平面中取向。复合硅或复合锡颗粒还可为90重量％的硅或锡、7重量％的铝和3重量％的氧化物。

复合硅或复合锡颗粒通过在pH受控环境中应用弱酸可形成自例如Al-Si、合金粉末。弱酸移除基体材料，并且酸处理在形成复合物时且以使孔形成最小化和促进原生颗粒内的柱形态的方式终止。

硅或锡复合物还可包括粘结剂，该粘结剂嵌入复合硅或复合锡颗粒的微晶延伸部之间的分离空间中。复合硅或复合锡颗粒还可在不同气体气氛下在高温下加热以增大复合硅或复合锡颗粒的电化学性能。复合硅或复合锡颗粒还可与碳材料混合。碳材料为sp2碳或传导性碳或石墨碳，例如炭黑或纳米碳或石墨烯或石墨或乙炔黑。

在另一个实施方式中，电化学可充电电池可包括由复合硅或复合锡、粘结剂和溶剂制成的阳极。

附图简述

图1为本发明的一个实施例的SEM 1kx视图；