[发明专利]复合负极活性材料、其制法及含该材料的负极和锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及复合负极活性材料、其制备方法和包含该负极活性材料的负 极和锂电池。更具体地，本发明涉及包括金属间化合物的复合负极活性材料。

背景技术

在努力实现高电压和能量密度的过程中，已对使用锂化合物作为负极的 非水电解质二次电池进行了广泛的研究和开发。具体地说，由于其赋予高的 初始电池容量的能力，金属锂已成为广泛研究的主题。但是，当金属锂用作 负极材料时，大量锂可以枝晶的形式沉积在负极表面上，其可使电池充电和 放电效率退化或导致负极和正极之间的内部短路。此外，锂对于热和冲击敏 感，且由于其不稳定性和高反应性而易于爆炸。这些问题趋于限制采用金属 锂的电池的商品化。为了消除使用金属锂的这些问题，已提出碳质材料用作 负极材料。碳质负极帮助氧化还原反应，使得在充电和放电循环过程中，在 电解液中的锂离子在碳质材料的晶格结构中嵌入/脱嵌。这些负极称作“摇椅” 式负极。

碳质负极已通过克服与金属锂有关的多种缺点而对锂电池的使用作出 了贡献。但是，电子设备正变得更小和重量更轻，且便携式电子仪器的使用 变得更广泛，使得具有更高容量的锂二次电池的进一步开发引起注意。

使用碳质负极的锂电池由于碳质负极的多孔性而具有低电池容量。例 如，石墨(其为高度结晶材料)当通过与锂离子反应转变为LiC₆形式的结构时， 具有约372mAh/g的理论比容量。这仅为金属锂的约10％，金属锂具有约 3860mAh/g的容量。因此，尽管采用常规的金属负极有许多问题，仍在进行 使用金属锂作为负极材料改善电池容量的研究。

通常含金属和/或准金属的材料如硅或锡，或含锂合金如锂-铝、锂-铅、 锂-锡或锂-硅合金具有比碳质材料高的电容量。但是，当使用金属或两种或 多种金属的合金时，可能发生锂枝晶的形成。另外，还可发生由于金属的膨 胀和收缩引起的显著体积变化，导致差的库仑效率和电池循环寿命降低。

一个为了避免这些问题而提出的方案是将硅和石墨或其他碳质材料组 合使用。尽管这些电池的寿命在一定程度上增加，但它们的初始充电和放电 效率仍然差。这是由于碳质材料的差的石墨化。当在将硅和碳质材料混合的 过程中石墨的结晶表面的边缘部分基本上暴露时，石墨化程度降低。碳质材 料的差的石墨化可导致在电池充电过程中电解质的更快的分解。

另外，使用碳基负极可引起进一步的问题。例如，难以在获得碳质材料 的硅复合物的同时得到高的石墨化程度。一个提出的方案是使用金属成分代 替碳质材料与硅组合以增加初始库仑效率。尽管使用金属成分可增加初始库 仑效率，但金属趋于与锂形成中间相，当在电池充电和放电过程中锂进入和 离开金属成分时，导致相同的重复的体积膨胀和收缩的问题。

另一提出的方案是使用不形成锂合金的金属材料。但是，二元合金相图 的分析显示不趋于与锂形成合金的金属材料与硅形成合金。

例如，如图6和7的相图所示，金属材料如镍不与锂形成中间相。但是， 其与硅合金化以形成多种中间相。

在用于制造硅复合物的机械研磨或热处理过程中伴随发生的需要消耗 硅和金属材料如镍的中间相的形成导致复合物中硅含量降低。因此，其导致 电池容量降低。

发明内容

本发明的一个实施方式涉及包括金属间化合物的复合负极活性材料。

本发明的另一实施方式涉及制备该复合负极活性材料的方法。

本发明的另一实施方式涉及包含该复合负极活性材料的负极和锂电池。 本发明的一个实施方式涉及能够改善库仑效率以及充电和放电容量的电池。

根据本发明的一个实施方式，复合负极活性材料包括能够与锂合金化的 金属；不能够与锂合金化的金属间化合物；和碳质材料，其中该金属间化合 物以与能够与锂合金化的金属结构上分离的相存在。

根据本发明的另一实施方式，提供制备该复合负极活性材料的方法。该 方法包括在惰性气氛下机械研磨能够与锂合金化的金属、金属间化合物和碳 质材料。

根据本发明的另一实施方式，负极包括该复合负极活性材料。在再一实 施方式中，电池包括包含该复合负极活性材料的负极。

在一个实施方式中，金属间化合物包括选自III族至XIV族元素的至少 两种元素，且具有一个或多个中间相。