[发明专利]可充电锂电池的负极活性材料和可充电锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及可充电锂电池的负极活性材料和包括该负极活性材料的可充电锂电池。

背景技术

可充电锂电池采用能够可逆地嵌入或脱嵌锂离子的材料作为正极和负极。在正极与负极之间可采用有机电解质溶液或聚合物电解质。可充电锂电池通过在正极和负极处的锂离子的嵌入/脱嵌过程中发生的氧化/还原反应来产生电能。

硫属元素化合物(chalcogenide compound)作为正极活性材料已得到了广泛的使用。还采用了诸如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂、LiNi_1-xCo_xO₂(0＜x＜1)、LiMnO₂等的复合金属氧化物。

传统地，采用锂金属作为可充电锂电池的负极活性材料。然而，当利用锂金属时，会形成枝晶(dendrite)，这会引起短路，进而会导致爆炸。因此，近来已采用碳材料(诸如无定形碳和晶体碳)代替锂金属来作为负极活性材料。然而，这种碳材料在前几次循环中造成5％至30％的容量损失，这产生了锂离子的浪费，并阻碍了至少一种活性材料被充分地充放电。因此，碳负极活性材料的能量密度差。

此外，近来的研究表明，按照推测具有高容量的诸如Si、Sn等的金属负极活性材料具有不可逆容量特性。此外，氧化锡是碳负极活性材料的替代物。然而，当被包含的金属负极活性材料为30％或小于30％时，初始库仑效率降低。另外，由于锂不断地嵌入和脱嵌从而产生了锂-金属合金，所以在150次充放电循环之后，容量显著降低，容量保持率显著劣化，这使得金属负极活性材料尚未得到商品化。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种具有高容量和优良的循环寿命以及电池效率的可充电锂电池的负极活性材料。

本发明的另一实施例提供了一种包括该负极活性材料的可充电锂电池。

根据本发明的实施例，可充电锂电池的负极活性材料包括Si与金属的金属间化合物以及含有Cu和Al的金属基体。

金属间化合物的金属可以是能够改变包括Si、Cu和Al的合金的低共熔点的金属。能够改变低共熔点的金属可以选自于由Ca、Cr、Co、Fe、Mn、Ni、Ti、Zr及它们的组合组成的组。

根据一个实施例，负极活性材料用下面的式1表示。

式1

x(aSi-bM)-y(cCu-dAl)

在式1中，x+y为100wt％，x在大约30wt％至大约70wt％的范围内，y在大约30wt％至大约70wt％的范围内；a+b为100wt％，a在大约60wt％至大约99wt％的范围内，b在大约1wt％至大约40wt％的范围内；c+d为100wt％，c在大约70wt％至大约85wt％的范围内，d在大约15wt％至大约30wt％的范围内；M为能够与Si形成金属间化合物的金属，并选自于由Ca、Cr、Co、Fe、Mn、Ni、Ti、Zr及它们的组合组成的组。

金属间化合物在负极活性材料中存在的量在大约30wt％至大约70wt％的范围内，金属基体存在的量在大约30wt％至大约70wt％的范围内。

Si在金属间化合物中存在的量在大约60wt％至大约99wt％的范围内，能够与Si形成金属间化合物的金属存在的量在大约1wt％至大约40wt％的范围内。

在一个实施例中，Cu在金属基体中存在的量在大约70wt％至大约85wt％的范围内，Al存在的量在大约15wt％至大约30wt％的范围内。

金属间化合物和金属基体形成具有层结构的合金。

根据本发明的另一实施例，一种可充电锂电池包括：负极，包括该负极活性材料；正极，包括能够可逆地嵌入和脱嵌锂离子的正极活性材料；电解液。

附图说明

图1是示出Si-Cu-Al合金的低共熔点的变化的曲线图。

图2是根据本发明实施例的可充电锂电池的剖面透视图。

图3是根据示例1制备的负极活性材料的SEM照片(放大倍率：23,000)。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，可充电锂电池的负极活性材料采用Si(Si作为高容量负极活性材料正在得到研究)。由于Si提供了高电池容量，所以Si作为需要较高容量的可充电锂电池的负极活性材料而倍受关注。然而，由于采用Si的负极活性材料具有急剧膨胀的体积，所以在电池充放电过程中会形成裂缝，从而劣化电池的循环寿命。这阻碍了Si用作电池的商用负极活性材料。