[发明专利]制备硅基电极材料的方法、硅基电极材料及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种制备硅基电极材料的方法、硅基电极材料及锂离子电池，该方法包括利用高能机械研磨法研磨硅原料，而得微米级硅凝聚物；再将该微米级硅凝聚物与改质剂进行混合，得到混合物，利用湿式研磨法研磨该混合物，而得硅基电极材料；其中，该纳米硅颗粒的初级粒径小于0.1微米；该硅聚集体的中值粒径等于或大于0.15微米且等于或小于0.5微米；该硅聚集体的比表面积等于或大于20m²/g且等于或小于50m²/g。此外，本发明还提供了包含前述硅基电极材料的负极及包含前述负极的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及一种制备硅基电极材料的方法、硅基电极材料及锂离子电池，尤其涉及一种用于锂离子电池的负极电极的硅基电极材料，其制备方法及包含此硅基电极材料的锂电池。

背景技术

随着行动电子装置、电动车(electric vehicles,EV)、混合动力车(hybridelectric vehicles,HEV)、电网能量储存系统(grid energy storage system)等需求快速增加，使得具有高电能密度及循环寿命长的可充电式锂离子电池(LiBs)引起很大的关注。然而，目前锂离子电池常用的石墨负极材料因受限的电容理论值(theoretical specificcapacity)及不佳的快速充放电能力(rate capability)无法符合新一代锂离子电池的生产能力需求。因此，具有高电容理论值、低放电电压(discharge voltage)及蕴藏丰富的硅成为极具潜力的负极电极材料。但是，硅基负极材料存在有在锂化/去锂化的过程中因产生大于400％的体积变化而引起阳极破碎等机械性失效，较高的不可逆容量损失，以及无法维持充放电循环特性等问题。

为了解决上述问题，在现有相关研究中，日本专利公开案2000-243396号公开了一种包含SiO-石墨复合粉末。虽然提升了循环特性，但其制作过程需经过高温处理，增加能源消耗、工艺工序复杂，且由该复合粉末所制成的电池充电容量及放电容量仍不及纯硅所能提供的充、放电电容量。

另外，如C.K.Chan等人在《使用硅奈米线的高性能锂电池阳极》(High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires)中提到使用硅纳米线具有较高的应力而不会粉碎，因而可提供良好导电性且能获得良好循环特性；但因硅纳米线合成设备和工艺复杂，品质控制难度高，不易大量生产制造，阻碍了商业发展的可能性。

发明内容

有鉴于上述硅基电极材料存在技术缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基电极材料，其具有良好的导电性、循环特性及电容保持率。

本发明的另一目的在于提供一种硅基电极材料，其具有较低制造成本的优势，可解决使用硅纳米粉、硅纳米线等材料需进行复杂的工艺导致制造成本增高的问题，进而更具商业产品的开发潜力。

本发明的另一目的在于提供一种硅基电极材料，其不仅可以解决硅纳米粉、硅纳米线在制作电极浆料时流变性质不佳，导致不易操作的问题，还可以解决使用硅纳米粉、硅纳米线等材料在电极成型时密度偏低的问题。

为达成前述目的，本发明提供一种制备硅基电极材料的方法，其包括以下步骤：利用高能机械研磨法研磨硅原料，而得微米级硅凝聚物；再将该微米级硅凝聚物与改质剂进行混合，得到混合物，利用湿式研磨法研磨该混合物，而得硅基电极材料；其中，该改质剂包含乙醇、葡萄糖、蔗糖、果糖、淀粉、柠檬酸、葡萄糖胺、L-丙胺酸、油酸、油胺、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、α-D-纤维二糖八乙酸酯、庚基硼酸、1,4-二甲氧基-3-甲基萘-2-硼酸、2,4,6-三氟苯硼酸、半胱氨酸、乙酰半胱氨酸、二硫苏糖醇、乙膦酸、或其组合；该硅基电极材料包括硅聚集体，该硅聚集体包含多个表面经冷焊(cold welding)的纳米硅颗粒；其中，该纳米硅颗粒的初级粒径小于0.1微米；该硅聚集体的中值粒径等于或大于0.15微米且等于或小于0.5微米；该硅聚集体的比表面积等于或大于20m²/g且等于或小于50m²/g。