[发明专利]用于二次电池的电极活性材料

说明书

技术领域

本发明是涉及一种用于二次电池的电极活性材料，以及包括此电极活性材料的二次电池。

背景技术

一般锂二次电池是使用可使锂离子嵌入(intercalation)/脱出(deintercalation)的材料作为阴极与阳极，并通过注入有机电解质或高分子电解质于阴极与阳极之间获得。这类锂二次电池经在阴极与阳极由锂离子嵌入/脱出引发的氧化还原反应产生电能。

目前含碳材料已被使用为制备锂二次电池阳极的电极活性材料。然而具有较高电容量之电极活性材料仍具有需求，以进一步改善锂二次电池的电容量。

为了满足需求，比含碳材料显示更高充电/放电电容量并可与锂形成电化学合金的金属，例如Si、Al等，已经使用在电极活性材料上。然而这些金属基电极活性材料因为锂嵌入与脱出而显示严重的体积变化，故它们会产生裂痕与轻微分裂。因此使用这种金属基电极活性材料的二次电池在重复的充电/放电循环中遭遇电容量的快速下降并显示出差的循环生命特征。

日本早期公开专利号2001-297757公开了一种电极活性材料，其结构基于包括能锂嵌入/脱出元素(例如Si)的α相与实质包括金属间化合物(intermetallic compound)或上述元素与另一元素b的固态溶液的β相。

然而上述的电极活性材料仍无法充分地提供优良的循环生命特征，而因此不能使用在锂二次电池的实用电极活性材料上。

发明内容

因此，考虑到上述问题作出本发明。本发明的一个目的是提供一种具有高充电/放电电容量与优良循环生命特征的电极活性材料，以及包括此电极活性材料的二次电池。根据根据本发明的电极活性材料包能够反复嵌入/脱出锂的核心层(core layer)，以及依次形成在核心层表面的非晶碳层(amorphous carbon layer)与结晶碳层(crystalline carbonlayer)。此高充电/放电电容量与优良循环生命特征是由核心层达成的，所述核心层包括至少两个核心粒子，故在充电/放电循环间抑制了核心层(例如为金属)的体积变化，并维持在电极活性材料粒子间的高导电性与传导路径。

根据本发明的一个方面，提供一种电极活性材料，其包括依次的：能够反复嵌入/脱出锂的核心层、非晶碳层、与结晶碳层。其中核心层包括至少两个核心粒子。还提供包括上述电极活性材料的二次电池。

根据根据本发明的另一方面，提供一种备制上述电极活性材料的方法，所述方法包括步骤：混合金属或类金属(metalloid)与结晶碳以形成核心层；以及对所得混合物在球存在的机械融合系统(MechanoFusion system)中实施机械合金化。

附图说明

本发明前述及其他的目的、特征和优点将结合附随的附图在以下详细的说明中展现。

图1是根据本发明优选的实施例制备的电极活性材料的剖视图。

图2是根据实施例1的电极活性材料的照片，其由STEM HAADF(扫描透射电子显微镜-高角度环暗场)拍摄。

图3系根据实施例2的电极活性材料表面的照片，其由SEM在电极活性材料施与充电/放电循环前拍摄。

图4系根据实施例2的电极活性材料表面的照片，其由SEM在电极活性材料施与50次充电/放电循环后拍摄。

具体实施方式

以下将详细描述本发明。

图1为根据本发明优选实施例制备的电极活性材料的剖视图根据。如图1所示，核心层10的表面依次覆盖有非晶碳层20与结晶碳层30，其中所述核心层10由电化学可充电金属或类金属形成。所述金属或类金属核心层10包括至少两个金属或类金属核心粒子。换言之，金属或类金属核心层10不是仅包括一个金属或类金属粒子，而是包括至少两个金属或类金属核心粒子。

根据根据本发明的电极活性材料可抑制充电/放电循环期间由覆盖在核心层上的碳层引起的核心层的体积变化。

此外，当包含在核心层内的核心粒子数目增加时，在核心粒子间的空隙体积亦会增加。因此其可更有效的抑制核心层的体积变化。因为包含在核心层的总核心粒子量有限，故当包含在核心层的核心粒子增加时每个核心粒子具有更小的粒径。此外较小的核心粒子会导致核心粒子与碳层接触的面积增加，因此可更有效抑制核心层的体积变化，并维持在电极活性粒子间的导电性与传导路径。因此利用根据根据本发明的电极活性材料的锂二次电池提供高充电/放电电容量与优良的循环生命特征。

结晶碳层优选包括片状(sheet-like)碳层单元，且所述片状碳层单元的c轴方向垂直于电极活性材料粒子的切线方向。