[发明专利]用于锂离子电池的合金组合物

说明书

相关申请

本申请要求2005年7月25日提交的美国临时申请60/702,241号和2006年3月23日提交的U.S.S.N.11/387,205的优先权，这两个文献的公开内容在此通过引用的方式并入到本文中。

发明领域

本发明描述了用于锂离子电池的合金组合物。

背景技术

在多种电子器件中包括可再充电的锂离子电池。大多数可商购获得的锂离子电池具有包括材料如石墨的阳极，所述材料在充电过程中能通过嵌入机理来结合锂。此类嵌入型阳极通常展示良好的循环寿命和库仑效率。但是，每单位质量的嵌入型材料可结合的锂的量是相对低的。

已知的第二类阳极材料在充电过程中通过合金化机理来结合锂。尽管每单位质量的这些合金型材料结合的锂的量通常可比嵌入型材料结合的锂的量要高，但是向合金中增加锂通常伴随着巨大的体积变化。一些合金型阳极展示出相对差的循环寿命和库仑效率。这些合金型阳极的差的性能可能源于在锂化和脱锂过程中两相区的形成。如果一相比另一相经受更大的体积变化，则两相区会在合金内产生内应力。随着时间过去，该内应力可导致阳极材料的崩解。

此外，伴随着锂结合的巨大的体积变化可导致如下材料间的电接触的恶化：合金、导电稀释剂(如碳)粒子和粘合剂，上述材料典型地形成阳极。电接触的恶化又可导致在阳极循环寿命后容量的减少。

发明简述

本发明提供了合金组合物、锂离子电池和制造锂离子电池的方法。更具体地，锂离子电池具有包括合金组合物的阳极，所述合金组合物为非晶相和纳米晶相的混合物。

在一方面，描述了锂离子电池，其包括阴极、阳极和电解质，所述电解质与阳极和阴极两者都是电连通的。阳极包括合金组合物，所述组合物包含：(a)量为35～70mol％的硅、(b)量为1～45mol％的铝、(c)量为5～25mol％的过渡金属、(d)量为1～15mol％的锡、(e)量为高达15mol％的铟和(f)量为2～15mol％的第六元素，所述第六元素包括钇、镧系元素、锕系元素或其组合。每个摩尔百分数都是基于合金组合物中除了锂以外的所有元素的总摩尔数。合金组合物是非晶相和纳米晶相的混合物，所述非晶相包括硅，所述纳米晶相包括锡、铟和第六元素。

在另一方面，描述了一种制造锂离子电池的方法，其包括：制备包括合金组合物的阳极，提供阴极，和提供与阳极和阴极两者都是电连通的电解质。该合金组合物包含：(a)量为35～70mol％的硅、(b)量为1～45mol％的铝、(c)量为5～25mol％的过渡金属、(d)量为1～15mol％的锡、(e)量为高达15mol％的铟和(f)量为2～15mol％的第六元素，所述第六元素包括钇、镧系元素、锕系元素或其组合。每个摩尔百分数都是基于合金组合物中除了锂以外的所有元素的总摩尔数。合金组合物是非晶相和纳米晶相的混合物，所述非晶相包括硅，所述纳米晶相包括锡、铟和第六元素。

在还一个方面，描述了一种合金组合物。该合金组合物包含：(a)量为35～70mol％的硅、(b)量为1～45mol％的铝、(c)量为5～25mol％的过渡金属、(d)量为1～15mol％的锡、(e)量为高达15mol％的铟和(f)量为2～15mol％的第六元素，所述第六元素包括钇、镧系元素、锕系元素或其组合。每个摩尔百分数都是基于合金组合物中除了锂以外的所有元素的总摩尔数。合金组合物是非晶相和纳米晶相的混合物，所述非晶相包括硅，所述纳米晶相包括锡、铟和第六元素。

如本文所使用的，单数形式(a、an和the)可与“至少一个”互换使用，以表示所述元素的一个或多个。

术语“非晶”是指缺少结晶材料的长程原子次序特性的材料，所述特性通过使用x-射线衍射技术来确定。

术语“结晶”、“微晶”和“晶体”是指具有长程次序的材料，所述性质通过使用x-射线衍射技术来确定。结晶材料具有至少约5纳米的最大尺寸。术语“纳米结晶”、“纳米微晶”和“纳米晶体”是指具有约5～约50纳米最大尺寸的结晶材料子集。一些结晶材料大于纳米结晶材料(即一些结晶材料的最大尺寸大于约50纳米)。

术语“电化学活性的”是指在对锂离子电池充电过程中典型遇到的条件下，与锂反应的物质。电化学活性的物质常常为金属或合金的形式。

术语“电化学惰性的”是指在对锂离子电池充电过程中典型遇到的条件下，不与锂反应的物质。电化学惰性的物质常常为金属或合金的形式。

术语“金属”是指金属和准金属如硅和锗。金属通常为元素态。“金属间”化合物为包括至少两种金属的化合物。