[发明专利]负极活性材料、具有该负极活性材料的负极和锂二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种负极活性材料、具有该负极活性材料的负极和锂二次电池，更具体地，本发明涉及一种使用金属-碳复合负极活性材料以体现出优异的循环特性的锂二次电池。

背景技术

尽管锂金属长久以来一直用作负极活性材料，但这些金属由于形成枝晶而会引起电池短路，导致爆炸的风险。为此，近来已将含碳材料用来替代锂金属作为负极活性材料。

用作锂电池负极活性材料的含碳活性材料包括诸如石墨和人造石墨的结晶碳和诸如软碳和硬碳的无定形碳。

然而，无定形碳具有高容量，但在充电/放电循环中的可逆性很差，而结晶碳(如石墨)具有对用作负极活性材料而言足够高的理论容量(372mAh/g)，但在使用期限内迅速退化。

此外，在高容量锂电池的开发中，无法将石墨或含碳活性材料用于负极，因为其理论容量相对较高但未超过372mAh/g。

为了改善这些问题，人们正在积极地研究金属-石墨复合负极活性材料，金属例如为铝(Al)、锗(Ge)、硅(Si)、锡(Sn)、锌(Zn)和铅(Pb)，而且也正在研究将这些金属用作负极活性材料的锂电池。

然而，在具有高容量的金属负极活性材料中，锂可通过充电嵌入到上述负极活性材料所含的诸如Si或Sn的无机颗粒中，由此，颗粒可膨胀至约300至400％。

此外，当锂通过放电解嵌时，无机颗粒收缩。随着重复进行充电/放电循环，活性材料间的电导率可能会因充电/放电循环中的体积变化而降低，或负极活性材料可能会从负极集流体上剥离，导致循环特性急剧降低。

发明内容

本发明提供一种通过抑制金属-碳复合负极活性材料中金属颗粒的体积变化而改善循环特性的负极活性材料、具有所述负极活性材料的负极和锂二次电池。

根据本发明的一个方面，负极活性材料包括：石墨芯颗粒；涂布所述石墨芯颗粒的碳涂层；和分散在所述碳涂层中的金属颗粒。

根据本发明的另一个方面，负极包括负极集流体和负极活性材料。在此，所述负极活性材料包括：石墨芯颗粒；涂布所述石墨芯颗粒的碳涂层；和分散在所述碳涂层中的金属颗粒。

根据本发明的又一个方面，锂二次电池包括具有正极活性材料的正极、具有负极活性材料的负极、使所述正极和所述负极隔开的隔板、以及电解液。在此，所述负极活性材料包括：石墨芯颗粒；涂布所述石墨芯颗粒的碳涂层；和分散在所述碳涂层中的金属颗粒。

负极活性材料可具有大于0且小于等于0.08cc/g的孔隙率。

负极活性材料可具有大于0且小于等于0.03cc/g的孔隙率。

石墨芯颗粒材料可具有大于0且小于等于0.07cc/g的孔隙率。

石墨芯颗粒材料可具有大于0且小于等于0.025cc/g的孔隙率。

碳涂层可涂布至1至4μm的厚度。

附图说明

参照其具体示例性实施方式和以下附图将描述本发明的上述和其它特征，其中：

图1是本发明示例性实施方式的负极活性材料的截面示意图；

图2是常规负极活性材料的截面示意图；

图3A是表示本发明的负极活性材料截面的照片；和

图3B是表示常规负极活性材料截面的照片。

具体实施方式

参照下文附图进行将更详细地描述本发明以上和其它目的、特征和功能。此外，为了清楚起见，可将附图中元件或区域的长度和厚度放大。而且，在整个说明书中，相同的附图标记表示相同元件。

以下将描述本发明的负极活性材料、具有该负极活性材料的负极和锂二次电池。

首先，将参照图1描述本发明的负极活性材料。

图1是本发明示例性实施方式的负极活性材料的截面示意图。

参照图1，本发明的负极活性材料100包括石墨芯颗粒110、涂布石墨芯颗粒110的碳涂层130、和分散在碳涂层130中的金属颗粒120。

石墨芯颗粒110是能够可逆地嵌入/解嵌锂的材料，可由选自由人造石墨、天然石墨、石墨化碳纤维、石墨化中间相碳微珠和无定形碳组成的组中的至少一种材料形成。

在文中，石墨芯颗粒可以具有1至20μm的平均直径。

当石墨芯颗粒的平均直径小于1μm时，位于碳涂层中的金属颗粒不能放置到石墨芯颗粒表面上或表面周围。然而，当石墨芯颗粒的平均直径大于20μm，可能不会均匀地涂布碳涂层。

石墨芯颗粒目前可用于电池的负极。它可具有0.07cc/g或更低的孔隙率，优选0.025cc/g或更低。