[发明专利]粉末、包括此类粉末的电极和电池组

说明书

本发明涉及粉末、包括此类粉末的电极和电池组。本发明具体公开了一种包括粒子的具有小于5m²/g的BET值的粉末，所述粒子包括基质材料和分散于所述基质材料中的硅基域，所述基质材料为连续基质，由此所述基质材料为沥青或经热分解的沥青，由此所述硅基域的部分以硅基域的附聚物形式存在，由此这些附聚物的至少98％具有3μm或更小的最大尺寸，或者所述硅基域完全没有附聚成附聚物。根据本发明的粉末将具有更好的循环性能并且将更适用于高电流。

本申请为国际申请PCT/EP2015/073879于2017年6月23日进入中国国家阶段、申请号为201580070631.3、发明名称为“粉末、包括此类粉末的电极和电池组”的分案申请。

技术领域

本发明涉及粉末，更具体地讲涉及用于(经或未经进一步处理后)电池组的电极中的粉末，以及包括此类粉末的电极和电池组。

背景技术

锂离子电池组是目前性能最佳的电池组，并且已经成为便携式电子装置的标准。此外，这些电池组已经进入其他工业(诸如汽车和电储存器)并迅速获得好评。此类电池组的赋能优点是结合了良好电力性能的高能量密度。

Li离子电池组一般包含多个所谓的Li离子电池，此类锂离子电池继而包含正(阴极)电极、负(阳极)电极以及浸没于电解质中的分隔件。便携式应用最常使用的Li离子电池的开发是使用电化学活性材料，诸如用于阴极的锂钴氧化物或锂钴镍锰氧化物、以及用于阳极的天然或人造石墨。

已知影响电池组的性能并且具体地电池组的能量密度的重要限制性因素中的一者是阳极中的活性材料。因此，为了改善能量密度，过去几十年间研究开发了基于例如锡、铝和硅的较新的电化学活性材料，这些开发大部分基于在使用期间在锂结合在该活性材料中期间将该活性材料与锂合金化的原理。

看起来硅是最好的候选者，因为可得到4200mAh/g(重量测定法)或2200mAh/cm³(体积测定法)的理论电容，并且这些电容远大于石墨(372mAh/g)的电容以及其他候选者的电容。

应注意，在本文件通篇中，意欲以硅表示零价状态中的Si元素。术语“Si”将用于表示Si元素，无论其氧化状态(零价或经氧化)。

然而，在阳极中使用硅基电化学活性材料的一个缺点是该硅基电化学活性材料在充电期间的大体积膨胀，该体积膨胀在锂离子完全结合(例如，通过合金化或插入)在该阳极的活性材料中时高达300％，此程序常称为锂化作用。硅基材料在锂结合期间的大体积膨胀可诱发硅中的应力，这继而可导致该硅材料的机械性劣化。

硅电化学活性材料的重复机械性劣化在Li离子电池组的充电和放电期间周期性地重复发生可使电池组的寿命降低到不可接受的程度。

为试图减轻硅的体积改变的有害效应，许多研究报告显示通过将该硅材料缩小成次微米或纳米尺寸的硅域(平均尺寸通常小于500nm，并且优选地小于150nm)并且将这些用作电化学活性材料可证明为可行的解决方案。

为适应该体积变化，通常使用复合物粒子，其中硅域与基质材料(通常以碳为基底的材料，但也可能是以硅为基底的合金或氧化物)混合。

对于以碳为基底的材料，两种不同形态的碳通常广泛地用于电池组。第一种形态是石墨，其可以是天然的，或通过烧制软碳而人工制成的，该软碳是碳质材料，其具有有序的相对小的碳层而在垂直于此类层的方向上无任何显著结晶学次序。第二种形态是所谓的硬碳，其具有无序碳层，该硬碳层不具有足够的移动度而无法在加热时形成石墨。这些硬碳通常由有机聚合物或烃类的分解形成。

此外，硅的负面效应是在几个锂化-脱锂循环后，阳极上可能形成厚的SEI(固体-电解质界面)。SEI是电解质与锂的复杂反应产物，因此导致锂在电化学反应的可用性的损失，并因此导致不良的循环性能(其为每次充电-放电循环的容量损失)。厚的SEI可能进一步增加电池组的电阻，由此限制可实现的充电和放电率。