[发明专利]包含表面稳定的活性材料颗粒的复合阳极材料和其制作方法

说明书

提供了复合阳极材料和其制作方法，所述阳极材料包含：囊，所述囊包含石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯或其组合；以及活性材料颗粒，所述活性材料颗粒安置在所述囊内部。所述颗粒可以各自包含核和包围所述核的缓冲层。所述核可以包含晶体硅，并且所述缓冲层可以包含氧化硅、硅酸锂、碳或其组合。

技术领域

本发明涉及电化学电池的领域，并且更具体地，涉及包含包封在石墨烯或还原氧化石墨烯中的表面稳定的活性材料颗粒的复合阳极材料和其制作方法。

背景技术

锂(Li)离子电化学电池通常具有相对高的能量密度，并且通常用于各种应用，所述应用包含消费电子产品、可穿戴计算装置、军用移动设备、卫星通信、航天器装置和电动车辆。锂离子电池对于在如低排放电动车辆、可再生能源发电厂和静止电网等大规模能源应用的使用特别受欢迎。另外，锂离子电池处于新一代无线和便携式通信应用的前沿。一或多个锂离子电池可以用于配置对充当这些应用的电源的电池。高能量需求应用数量的激增和对现有锂离子技术的限制正在加速对更高能量密度、更高功率密度、更高速率充电放电能力和更长循环寿命的锂离子电池的研究。

锂离子电池主要由阳极(例如，石墨)、基于碳酸盐的有机电解质和包扩阴极活性材料(例如，锂钴氧化物(LiCoO₂))的阴极构成。在放电和充电期间，锂离子通过电解质在阳极与阴极之间插入和脱插。当从电池中除去电能来供电时或者当电能正在放电时，锂离子从负电极(阳极)移动到正电极(阴极)。当电池提供有用于转换成储存的化学能的电能时或者当电池正在充电时，情况相反。锂离子通常在充电期间从正电极(阴极)移动到负电极(阳极)。例如，石墨阳极和LiCoO₂阴极的理论容量分别为372mAh/g和小于160mAh/g。然而，这些理论充电容量对于最近较高能量需求应用的剧增来说通常太低。

将硅并入碳基阳极内显著增加了阳极材料的容量。硅的理论容量为约4,200mAh/g，所述硅在并入包括石墨、石墨烯或其它碳基活性材料的电极内时显著增加了电池的容量。包扩石墨烯和硅的电极的实例在授予龚(Kung)等人的美国专利8,551,650和授予黄(Huang)等人的美国专利申请公开第2013/0344392号中提供，所述专利两者均通过引用完全并入本文。

此外，通常理解的是，在循环过程期间，当插入和抽出锂时，并入这些电极内的硅通常经历高达400％的显著的体积膨胀。作为此显著体积增加的结果，电极结构内的硅经历显著的机械应力，所述机械应力通常使材料裂缝并在所述材料的结构内造成缺陷。活性材料内的硅的此类结构退化通常导致活性材料内的锂离子的插入和脱插的减少，从而造成容量和/或循环寿命减少。另外，硅的机械退化通常导致活性材料内的硅的电断开。由硅颗粒的机械退化引起的硅的这种电断开通常会导致循环寿命进一步减少以及容量损失增加。

因此，需要具有增加的容量和循环寿命的锂电池。因此，本申请通过公开用于增加循环寿命的锂离子的电化学活性材料来解决这个问题。

发明内容

各个实施例提供了一种复合阳极材料，所述复合阳极材料包括：囊，所述囊包括石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯或其组合；以及活性材料颗粒，所述活性材料颗粒安置在所述囊内部。每个颗粒可以包含核和缓冲层，所述缓冲层包围所述核，其中所述缓冲层和所述核包括不同的材料。

各个实施例提供了一种阳极，所述阳极包括：囊，所述囊包括石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯或其组合；活性材料颗粒，所述活性材料颗粒安置在所述囊内部；以及粘合剂。每个颗粒可以包含核和缓冲层，所述缓冲层包围所述核，其中所述缓冲层和所述核包括不同的材料。

各个实施例提供了一种形成阳极活性材料的方法，所述方法包括：在范围为约700℃到约900℃的第一温度下，在惰性气氛中加热晶体硅颗粒；在氧化气氛中，在所述第一温度下加热所述颗粒，持续第一时间段，以形成包括包围晶体硅核的氧化硅涂层的经过氧化的颗粒；以及在惰性气氛中冷却所述经过氧化的颗粒。