[发明专利]含碳复合颗粒及其应用与制造

说明书

技术领域

本发明涉及含碳复合物颗粒及其制造方法与应用，尤指含有石墨化介稳相碳颗粒、天然石墨颗粒、或人造石墨颗粒的复合颗粒，及其制造方法与其在锂离子二次电池的应用。

背景技术

随着科技的进步，各种电子、资讯、及通讯产品都朝向可携带型式而发展，故其元件均朝向轻、薄、短、小的目标迈进，且对于电力供应来源的性能要求亦日益提升。因此，发展具高能量密度且能重复使用的储能系统以取代传统电池便成为必然的趋势。

在众多储能系统中，具高能量密度、高电压、且使用寿命长等特性的锂离子二次电池，是目前最被广泛运用于可携式电子产品中者。早期锂离子二次电池以锂金属为负极，此类电池虽具高能量密度，但于多次充放电之后，负极会沉积金属锂的树枝状结晶物，该沉积结晶物会刺穿隔离膜、引起正负极间的短路，减损电池使用寿命。

为抑制上述因树枝状结晶物沉积所致的问题，陆续开发出多种取代锂金属以作为负极材料的替代物。截至今日，于锂离子二次电池中，已广泛使用合成石墨或天然石墨做为标准的负极材料。然而，以合成石墨或天然石墨做为标准负电极材料的锂离子二次蓄电池并非毫无缺点。首先，商业上使用合成石墨电极的锂离子二次电池的锂容积相当低。其次，现今于锂离子二次电池中使用的石墨产物已接近其能量储存的理论极限(372mAh/g)。因此，需要一改良电极材料，以改善锂离子二次电池的操作特征，以提供诸如较高能量密度、较大可逆电容量、以及较大起始充放电效率。

颁予Watanabe等人的美国第6316146号专利，公开了以热塑性酚醛树脂(novolac phenol resin)与粉状沥青(pitch)为原料，于130℃下混合后进行碳化，以提供初始放电容量(initial discharge capacity)达570mAh/g的非晶形碳结构材料。该碳材料虽具远较理论值(372mAh/g)为高的初始放电容量，但其不可逆电容量高达100mAh/g，仍无法提供合适的电池寿命。

日本专利公开案JP09-151382及JP2004137505则揭示以煤焦沥青(coal-tar pitch)等为原料，先制得介稳相碳微球(mesocarbon microbeads，MCMB)，再使该介稳相碳微球进行碳化及石墨化后，提供石墨化的介稳相碳微球颗粒，其可用以制造锂离子二次电池的碳电极。

本发明是针对现今锂离子二次电池的改良，提供一可作为锂离子二次电池负电极材料的含碳复合颗粒。经由该复合颗粒的使用，可提升锂离子二次电池的效能，提供符合市场需求的兼具高电容量与低不可逆电容量的锂离子二次电池。

发明内容

本发明的一个目的，在于提供一种含碳复合颗粒，其包含石墨颗粒，以及一覆于该石墨颗粒外的非晶形碳结构层。其中，该石墨颗粒为石墨化介稳相碳颗粒、天然石墨颗粒、或人造石墨颗粒。较佳地，该复合颗粒的尺寸不大于200微米，更佳不大于100微米，尤其以不大于40微米为最佳。

本发明的另一目的，在于提供一种制造含碳复合颗粒的方法，其包含以下步骤：

(a)混合多个含碳颗粒及一种非晶形碳结构形成材料以提供一混合物，其中各该含碳颗粒相同或不同且为介稳相碳颗粒或石墨颗粒，该石墨颗粒为石墨化介稳相碳颗粒、天然石墨颗粒、或人造石墨颗粒；

(b)于不高于该非晶形碳结构形成材料的裂解温度下进行第一热处理；以及

(c)于缺氧氛围下进行第二热处理，

其中，另于第二热处理步骤(c)之前和/或之后进行粉碎处理。

本发明的再一目的，在于提供一种二次电池，其包含：一个第一电极，包含多个含碳复合颗粒，各该含碳复合颗粒可为相同或不同且包含选自以下的石墨颗粒：石墨化介稳相碳颗粒、天然石墨颗粒、及人造石墨颗粒，以及覆于该石墨颗粒外的非晶形碳结构层；一个第二电极；以及一种电解液，位于该第一电极与第二电极之间。其中，该复合颗粒的尺寸较佳不大于200微米，更佳不大于100微米，尤其以不大于40微米为最佳。

本发明的又一目的，在于提供一种锂离子二次电池，其包含：一个负极，包含多个含碳复合颗粒，各该含碳复合颗粒可为相同或不同且包含选自以下的石墨颗粒：石墨化介稳相碳颗粒、天然石墨颗粒、及人造石墨颗粒，以及覆于该石墨颗粒外的非晶形碳结构层；一正极；以及一电解液，位于该第一电极与第二电极之间。其中，该复合颗粒的尺寸较佳不大于200微米的粒径，更佳不大于100微米，尤其以不大于40微米为最佳。