[发明专利]特别适用于锂离子电池阳极的硅粉及其生产方法和用途

说明书

本发明涉及一种硅粉，其中所述硅粉颗粒的尺寸在3至30μm之间，所述硅粉颗粒的粒径分数D10在3至9μm之间，并且其中所述硅粉颗粒没有或基本上没有附着于表面的尺寸小于D10的硅颗粒。根据本发明的硅粉通过湿法分级所生产的硅粉来生产。

技术领域

本发明涉及用于锂离子电池阳极的硅粉和制造这种硅粉的方法。

背景技术

随着化石燃料使用的快速增长，对替代能源或清洁能源的使用的需求正在增加。因此，最积极地研究使用电化学反应的发电和电力存储领域。

二次电池作为能源的需求正在快速增长。在二次电池中，对具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命和低自放电率的锂二次电池的研究正在进行中，并且这种锂二次电池市售可得并广泛使用。

锂离子电池单元通常包括用于阳极的铜集电器和用于阴极的铝集电器，其可酌情外部连接到负载或充电源。应当注意，术语“阳极”和“阴极”在本说明书中如同这些术语在放置在负载上的电池的背景下所理解的那样使用，即术语“阳极”表示电池的负极，术语“阴极”表示电池的正极。基于石墨的复合阳极层覆盖铜集电器，并且基于含锂金属氧化物的复合阴极层覆盖铝集电器。在基于石墨的复合阳极层和基于含锂金属氧化物的复合阴极层之间提供多孔分离器：液体电解质材料分散在多孔间隔物或分离器、复合阳极层和复合阴极层内。在一些情况下，多孔间隔物或分离器可以由聚合物电解质材料代替，并且在这种情况下，聚合物电解质材料存在于复合阳极层和复合阴极层二者内。

在现代锂离子电池中，工业标准是使用由石墨制成的负极。进行充电和放电过程，同时阴极的锂离子重复嵌入阳极并从阳极脱嵌。标准石墨电极的比容量为约300 mAh/g，市售的最佳材料达到440 mAh/g。尽管根据电极活性材料的种类，电池的理论容量存在差异，但在大多数情况下，随着循环的进行，充电和放电容量会恶化。

硅作为高能量密度电池的阳极材料已受到关注。硅的理论容量大于4000 mAh/g_Si，但在可用于相反的正极的目前的技术情况下，很少有超过1000 mAh/g_tot的动力。这里，“g_Si”是指电极的硅部分，“g_tot”是指复合阳极的硅、碳和粘合剂的总和。在碳阳极和硅阳极二者中，阳极材料为颗粒，并且颗粒物质通过粘合剂保持在一起。然而，在锂化和去锂化反应期间，硅遭受显著的体积变化，高达400%。该体积变化远大于碳阳极的体积变化。由于体积变化大，比起用于碳阳极的粘合剂体系，已经证明难以找到用于硅阳极的粘合剂体系。碳阳极的粘合剂的教导不能转移到硅阳极。循环时的反复膨胀和收缩将引起硅阳极材料的退化和/或破裂。这可能通过颗粒和集电器之间的电隔离破坏电极完整性，从而使硅性能大大降低并且表现出非常差的循环寿命。可循环性是负电池电极的主要要求。取决于市场，目标将是从消费电子(CE)的1.000个循环到电动车辆(EV)的2.000个循环或用于电网平衡(电网)的10.000个循环。

US2014/0166939(A)和US2011/0177393(A)涉及用于电池电极的复合材料。该复合材料包括大于0%且小于约90%重量的硅颗粒。在US2011/0177393(A)中，硅平均或中值最大尺寸在10nm至40μm之间，而在US2014/0166939(A)中，硅颗粒具有在约0.1μm至约30μm之间的平均粒径，并且具有包括纳米尺寸特征的表面。从US2014/0166939(A)中显示硅颗粒的SEM显微照片的图22可见，存在许多粘附于较大尺寸硅颗粒表面的小的硅颗粒。此外，从显示硅颗粒的一个来源的粒径分布的图27A可见，硅颗粒具有高含量的尺寸小于1μm的非常小的尺寸不足的颗粒。另一方面，US2014/0166939(A)中的图27B显示具有大于10μm的大量颗粒的硅颗粒分布。