[发明专利]可再充电锂电池用负极活性材料及含其的可再充电锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于可再充电锂电池的负极活性材料及包括其的可再充电锂电池。

背景技术

可再充电锂电池在正极和负极中使用能够可逆地嵌入或脱嵌锂离子的材料，并包括在正极和负极之间的有机电解质溶液或聚合物电解质。可再充电锂电池通过在正极和负极处的锂离子的嵌入/脱嵌过程中的氧化/还原反应产生电能。

对于正极活性材料，已经研究了复合金属氧化物如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂、LiNi_1-xCo_xO₂(0＜x＜1)和LiMnO₂。

按照惯例，锂金属已用作用于可再充电锂电池的负极活性材料。但是，当使用锂金属时，由于枝晶的形成引起的电池短路可导致爆炸。因此，碳质材料如无定形碳和结晶碳近来已经代替锂金属用作负极活性材料。但是，这种碳质材料在最初的几个循环过程中赋予5-30％的不可逆容量，这浪费锂离子并阻止至少一种活性材料完全充电和放电。因此，其在能量密度方面具有缺点。

另外，近来已经知道，假定具有高容量的金属负极活性材料如Si、Sn等具有赋予不可逆容量特性的问题。此外，Japan Fuji Film Co.，Ltd.公开的氧化锡作为碳质材料负极活性材料的替代物已引起注意。但是，金属负极活性材料显示出30％或更小的初始库仑效率。此外，由于锂连续嵌入和脱嵌以产生锂-金属合金，因此在150次充电和放电循环后，容量显著降低，和容量保持率显著恶化，使得其难以在商业上可行。因此，近来已进行了许多研究以改善这些特性。

发明内容

本发明提供改善的负极活性材料。

本发明的一个实施方式提供具有高容量以及优异的循环寿命和效率特性的用于可再充电锂电池的负极活性材料。

本发明的另一实施方式提供包括该负极活性材料的可再充电锂电池。

根据本发明的实施方式，提供用于可再充电锂电池的负极活性材料，其包括Si活性颗粒、和包围该活性颗粒而不与该Si活性颗粒化学反应的三至七组分金属基体。

该金属基体为固溶体合金。

该金属基体包括Cu、Al和添加金属。

该添加金属选自Zn、Ga、In、Sn、Ag及其组合。根据一个实施方式，Sn是合适的。

该活性颗粒和金属基体以合金存在。

该合金由下式1表示。

[化学式1]

xSi-y(aCu-bAl)-zX

其中x范围为30-70重量％；

y范围为30-70重量％；

z为大于0重量％但小于或等于30重量％；

x+y+z为100重量％；

当a+b为100重量％时，a和b的重量比范围为70∶30至95∶5；和

X为与Cu和Al形成固溶体合金的添加金属，且选自Zn、Ga、In、Sn、Ag及其组合。

根据一个实施方式，在上式1中，当a+b为100重量％时，a和b的重量比范围为85∶15至95∶5。

该负极活性材料包括30-70重量％的金属基体。根据一个实施方式，该负极活性材料包括40-60重量％的金属基体。

该负极活性材料包括30-70重量％的Si活性颗粒。根据一个实施方式，该负极活性材料包括40-60重量％的Si活性颗粒。

在该金属基体中，Cu和Al以重量比70∶30至95∶5存在。根据一个实施方式，Cu和Al以重量比85∶15至95∶5存在。

该金属基体以大于0重量％但小于或等于30重量％的量包括该添加金属。

该活性颗粒具有10nm-1000nm的平均粒径。根据一个实施方式，该活性颗粒具有10nm-500nm的平均粒径。

根据本发明的另一实施方式，提供可再充电锂电池，包括包含该负极活性材料的负极、包含可以可逆地嵌入/脱嵌锂离子的正极活性材料的正极和电解质。

根据本发明的另一实施方式，提供制备负极活性材料的方法，包括：将Si活性颗粒和三至七种金属混合以获得混合物；熔化该混合物；和将该熔化的混合物淬火以制备负极活性材料，该负极活性材料包括金属基体和被该金属基体包围的Si活性颗粒，该金属基体包括所述三至七种金属。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本发明更完整的理解以及其许多伴随的优点将容易地显现并更好理解，在附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件，其中：

图1示意性地显示根据本发明一个实施方式的可再充电锂电池。