[发明专利]用于锂离子电池的高性能阳极材料

说明书

相关申请

本申请要求2006年8月9号提交的美国专利申请No.11/463,394 的优先权，通过引用将其并入本文。

发明领域

本发明涉及锂离子电池、特别是用于锂离子电池的高性能阳极材 料。

发明背景

对电池的能量要求不断增加，而对体积和质量的限制继续存在。 另外，对安全、低成本和环境友好材料的需求逐渐增多。使用常规锂 离子电池化学组成(chemistry)不能满足这些要求和电池规格。虽然锂 离子电池长期以来得到优化并且展示出稳定的能量，但这些体系受锂 的量限制，所述锂能够可逆地插入电池的活性材料结构中和从中移除。

仅可通过新电池材料的开发实现对较大性能、安全性、低费用和 能量友好材料的要求。研究者提出用锡替代碳基阳极。锡在电池充电 期间与锂发生合金化。锂-锡合金形成每1个锡原子4.4个锂原子的最 大浓度，该浓度等于993mAh/g的容量。常规碳基阳极具有372mAh/g 的理论容量。因此，用锡基阳极电池替代常规碳基阳极电池可产生更 高的能量性能。

研究证明，使用锡基阳极存在两个主要问题。第一个是差的循环 寿命，第二个是差的锡利用率。差的循环寿命定义为随充电-放电循环 数目变化的电池能量的不良保持率。研究者采取两种方法来解决这些 问题。首先，通过形成锡和至少一种其它金属的金属间化合物，其次 通过向阳极复合物加入非电化学活性材料。然而，先前研究未能解决 锂-锡电池不良性能的根本原因，这些原因是：1)充电时由锂与锡的合 金化引起的锂-锡颗粒大的体积膨胀；和2)上述体积膨胀期间锡聚结 体的破离。体积膨胀导致锡颗粒在随后循环期间从基质分离并且锡聚 结体的破裂产生具有暴露的新鲜表面区域的细颗粒。该新鲜表面区域 未与基质接触，且因此如同锡颗粒从基质分离，导致电池容量的降低。 因此，存在对表现出足够循环寿命和合适锡利用率的锂离子电池的需 要。

发明概述

提供了具有包含在多孔载体基质内的锂合金化颗粒的阳极材料。 所述锂合金化颗粒优选是纳米颗粒。所述多孔载体基质优选具有由孔 隙通道和其内含有至少一个锂合金化颗粒的膨胀接纳孔所提供的 5-80％的孔隙率。更优选地，所述载体基质具有10-50％的孔隙率。

锂合金化颗粒优选具有5-500纳米的平均线性尺寸，更优选具有 5-50纳米的平均线性尺寸。膨胀接纳孔优选具有10纳米-2.5微米的 平均线性尺寸，更优选具有10-250纳米的平均线性尺寸。以这种方式， 膨胀接纳孔在锂合金化颗粒与锂进行合金化并且膨胀时接纳所述颗粒 的膨胀。

多孔载体基质优选是导电的，并且由有机聚合物、无机陶瓷或者 有机聚合物和无机陶瓷的杂化混合物制成。有机聚合物载体基质可由 刚性-柔性聚合物、超支化聚合物或其组合制成。无机陶瓷载体基质可 由IV-VI族过渡金属化合物制成，所述化合物是氮化物、碳化物、氧 化物或其组合。

附图简述

图1显示了用于锂离子电池的高性能阳极材料在放电状态中的示 意图；

图2显示了用于锂离子电池的高性能阳极材料在充电状态中的示 意图；

图3显示了多孔聚合物的SEM图像，该图像证明了位于聚合物内 部和外部的孔；

图4显示了Sn阳极容量对比，该对比示出了高于其它的Sn/PANI 结构性优点。

发明详述

根据本发明，充电状态中的高性能阳极材料100由包含在一个或 多个膨胀接纳孔140内的一个或多个锂合金化颗粒110构成，所述颗 粒和孔被其中具有孔隙通道130的载体基质120包围(图1)。优选 地，锂合金化颗粒110是纳米尺度颗粒，在本领中也称作纳米颗粒。 出于本发明的目的，纳米尺度颗粒或纳米颗粒是测得直径处于纳米(nm) 且至少一个直径测量结果小于或等于999纳米的微观颗粒。锂合金化 颗粒110可以是任何金属或与锂进行合金化的合金，说明性地包括锡、 硅、锗、铅、锑、铝、锡合金和硅合金。仅出于说明性目的，锡合金 包括锡的多组分(二元、三元等)合金体系以及硅合金包括硅的多组 分(二元、三元等)合金体系。