[发明专利]阳极活性物质及其制备方法以及包含该物质的阳极和锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳极活性物质，其制备方法，以及包含该物质的阳极和锂电池。更具体地，本发明涉及具有缓冲充放电期间体积变化的孔隙的阳极活性物质，其制备方法，以及采用该阳极活性物质、具有长循环寿命的阳极和锂电池。

背景技术

非水电解液二次电池包括由锂化合物构成的阳极，具有高电压和高能量密度，因而已经被广泛地研究。因其高容量，人们已经对锂金属作为阳极材料进行了研究。然而，当使用金属锂作为阳极材料时，锂枝晶会在充电过程中沉积在金属锂的表面上。锂枝晶降低电池的充电/放电效率，并且可能导致短路。此外，因金属锂的不稳定性和高反应活性而导致的爆炸危险以及对热和冲击的高敏感性，阻止了金属锂阳极电池的商业化。已经使用碳基阳极，以解决锂的上述问题。电解液中存在的锂离子在碳基阳极的晶面之间嵌入和脱出，从而发生氧化和还原反应。包含碳基阳极的电池被称之为摇椅型电池。

碳基阳极解决了锂金属导致的各种问题，并且流行开来。然而，仍然需要高容量的锂二次电池，以使便携式电子设备小型化、重量减轻和功率增加。含碳基阳极锂电池因碳的多孔结构而具有低容量。例如，即使是碳结构的结晶度最高的石墨，LiC₆成分的理论容量也只为约372mAh/g。这小于锂金属的理论容量3860mAh/g的10％。因此，正在积极地进行大量的研究，以通过向阳极中引入诸如锂等金属来提高电池容量，尽管金属锂存在问题。

已经知道，Li和诸如Li-Al、Li-Pb、Li-Sn和Li-Si等合金提供比碳基材料更高的电容量。然而，当单独使用这类合金或金属时，发生锂枝晶的沉积。因此，研究使用这类合金或金属的适当的混合物，以在提供高电容量的同时，又避免诸如短路等问题。

这种情况下，存在碳基材料在氧化和还原期间的体积膨胀系数不同于金属材料，以及金属材料会与电解液反应的问题。当给阳极材料充电时，锂离子引入到阳极材料中。这种情况下，阳极膨胀同时变得更致密。于是，在放电时，锂离子离开阳极，并且阳极的体积减小。此时，如果阳极收缩，则因为碳基材料与金属材料膨胀系数的差异而在阳极中留下非电连接的空隙。由于电绝缘的空隙，电子的运动不是有效的，而且电池的效率降低。此外，充放电期间金属材料与电解液之间的反应，还会降低电解液的寿命，于是电池的寿命和效率降低。

为了克服这类问题，日本特许公开2001-196065公开一种电极，其是通过添加提供弹性和孔隙的聚合物添加剂而制备的。该聚合物添加剂在电极的制备过程中与活性物质简单地混合，为活性物质提供弹性和孔隙，以增强电池的循环性能。然而，由于该添加剂不粘附在活性物质上，所以当添加剂的弹性因长期使用而降低时，会出现电绝缘。

日本特许公开2004-158205公开一种活性物质，其包含两种类型具有不同表面密度的石墨。通过混合球形颗粒和针状颗粒，减少了活性物质颗粒之间的孔隙，从而使活性物质的能量密度得到提高。另外，韩国待审专利公报2001-0105622公开了具有球形石墨和片状石墨的阳极活性物质。电解液可容易地浸渍到这种阳极活性物质中，因而可以提高电池的电容量。然而，只有充放电期间没有大的体积变化的活性物质如石墨适用于这种阳极活性物质，因而，充放电期间表现出大的体积变化的活性物质是不合适的。

有鉴于对阳极活性物质的限制，仍然需要开发具有优异充放电性能、长寿命和高效率的更实用的阳极活性物质。

发明内容

本发明提供一种具有新结构的阳极活性物质。

本发明还提供采用该阳极活性物质的阳极。

本发明还提供采用该阳极的具有优异的初始充电/放电效率和增强的充电/放电容量的锂电池。

本发明还提供制备该阳极活性物质的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种阳极活性物质，包括：金属核心颗粒；以一体的形式形成于金属核心颗粒上的金属纳米线；介于金属核心颗粒与金属纳米线之间的孔隙；及形成于金属核心颗粒和金属纳米线表面的碳基涂层。

该阳极活性物质中的金属纳米线和金属核心颗粒可以包括能够与锂形成合金的金属。

金属纳米线和金属核心颗粒可包括至少一种选自Si，Sn，Al，Ge，Pb，Bi，Sb，及其合金的金属。

碳基涂层可以是聚合材料的烧结产物。

聚合材料可以包括乙烯树脂，酚树脂，纤维素树脂，沥青树脂，及焦油树脂中的至少一种树脂。

阳极活性物质还可以包括碳基活性物质。

碳基活性物质可以是纤维性碳基活性物质。