[发明专利]负极活性材料和使用该材料的锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及负极活性材料和使用该材料的锂电池，更具体的说，涉及具有大容量和优异容量保持力的负极活性材料以及使用该材料的具有长循环寿命的锂电池。

背景技术

当金属锂用作负极活性材料时，由于形成树枝状晶体而可发生短路，并可有爆炸的风险。因此，碳-基材料代替金属锂广泛用作负极活性材料。

在锂电池中用作负极活性材料的碳-基活性材料的实例包括结晶碳(如天然石墨和人造石墨)和无定形碳(如软碳和硬碳)。尽管无定形碳具有优异的容量，但是无定形-基碳的大部分充电/放电反应是不可逆的。天然石墨是最通常使用的结晶-基碳，其理论容量高达372mAh/g。因此，结晶碳广泛地用作负极活性材料。然而，包括石墨的这种碳-基活性材料的372mAh/g的理论容量(其目前被认为是高的)可不足以满足可需要的更高容量的将来的锂电池。

为克服该问题，人们已经积极进行对于金属-基负极活性材料和金属间化合物-基负极活性材料的研究。例如，已经进行对于使用金属或半金属如铝、锗、硅、锡、锌、铅等作为负极活性材料的锂电池的研究。已知此类材料与碳-基负极活性材料相比具有大容量、高能量密度和良好嵌入/脱出能力。因此，具有大容量和高能量密度的锂电池可以使用这些材料制备。例如，已知纯硅具有4017mAh/g的高理论容量。

然而，此类材料显示出比碳-基材料短的循环寿命，因此不能投入实际使用。当无机颗粒如硅或锡用作负极活性材料时，在充电/放电循环过程中无机颗粒的体积显著变化，且因此活性材料颗粒之间的电子导电网络可恶化或负极活性材料可从负极集电体分离，如图1所示。即通过在充电过程中与锂合金化，无机材料如硅或锡体积增加约300～400％，而通过在放电过程中锂的脱出体积降低。因此，当重复充电/放电循环时，在活性材料颗粒之间产生间隔，可发生电绝缘，并因此电池的容量可快速恶化。

为克服此类问题，日本专利公开No.1994-318454公开了包括金属或合金粉末薄片、碳粉末薄片、和粘合剂的混合物的负极活性材料。然而，因为混合物是由简单混合获得的，由于在重复充电和放电时的颗粒膨胀和收缩，在电池内出现应力，和有严重的电子导电中断。

日本专利公开No.1998-003920公开了锂二次电池，其中金属纳米颗粒涂有碳。然而，在纳米颗粒表面上的脆性的碳由于在充电过程中膨胀而破裂，并且在碳和金属纳米颗粒之间由于在放电过程中收缩而产生间隔。因此，电池循环寿命的改善有限。

因此，需要具有大容量和优异容量保持力的负极活性材料，和使用该负极活性材料的具有长循环寿命的锂电池。

发明内容

本发明提供具有大容量和优异容量保持特性的负极活性材料。

本发明还提供使用该负极活性材料的锂电池。

根据本发明的一个方面，提供含有金属颗粒的负极活性材料，该金属颗粒可以与锂合金化，其中具有取代或未取代氧化烯重复单元的材料形成于金属颗粒表面上。

取代或未取代的氧化烯可以是取代或未取代的氧化乙烯。

含有取代或未取代氧化烯重复单元的材料具有400～500,000的重均分子量。

该材料可以包括9～10,000个取代或未取代的氧化烯重复单元。

含有取代或未取代氧化烯重复单元的材料可以是取代或未取代的低聚乙二醇(oligoethylene glycol)或聚乙二醇。

含有取代或未取代氧化烯重复单元的材料可以是聚乙二醇。

含有取代或未取代氧化烯重复单元的材料的一端可以与金属颗粒表面直接结合或通过硅氧烷键介质结合。

该键可以是共价键。

可以与锂合金化的金属颗粒可以包括Si、Sn、Ge、Pb、Zn、Ag、Au、和Al的至少一种，或其合金。

根据本发明的另一个方面，提供使用该负极活性材料的锂电池。

附图说明

本发明的以上和其它特征及优点将通过参照附图详细描述其示范性实施方案而更加明显，其中：

图1是简要说明在充电/放电过程中常规负极活性材料的工作机理的示意图；

图2是简要说明根据本发明实施方案改性金属颗粒表面的方法的示意图；

图3是简要说明根据本发明实施方案改性金属颗粒表面的方法的示意图；

图4是简要说明根据本发明实施方案改性金属颗粒表面的方法的示意图；

图5是由实施例1和对比例1获得的负极活性材料的FT-IR谱图；

图6是使用质谱仪分析的由实施例1获得的负极活性材料中放出的气体的总离子色谱图；