[发明专利]用于锂离子电池的新型组合阳极材料

说明书

技术领域

本发明总体涉及新型组合物材料的开发，尤其是涉及用于替代锂离子电池碳阳极的新型纳米阳极组合物材料的开发及应用。

背景技术

本背景技术不用来限制本发明的范围，其描述涉及用于锂离子电池的阳极材料。与其它可再充电的系统相比，由于锂离子电池具有较高的能量密度，其已成为手机、手提电脑、掌上电脑(PDA)等便携式电子设备的电源选择。它们也正被努力寻求用于插电式混合动力电动汽车(PHEV)和电动车(EV)的领域。由于其优异的循环性能，石墨普遍被用作锂离子电池的阳极。然而，目前使用的碳阳极存在容量有限(372mAh/g)以及安全问题的缺陷。尤其是，碳阳极表面与电解液和由于充放电电位接近Li/Li⁺的电位时导致沉积于碳阳极上的锂反应，形成的固体电解质界面(SEI)膜，带来了严重的安全问题。这些困难在替代性阳极材料开发中引起了广泛关注^1-3。

Turner等(2001)在美国专利No.6,203,944中提供了适用于二次锂电池的电极组合物，其中该电极组合物具有甚至在重复循环之后仍能保持的高初始容量。该电极组合物还具有高库伦效率。该电极组合物和包含这些电极组合物的电池也很容易制造。根据‘944专利，用于锂电池的电极包括(a)一种电化学活性金属元素，在进入循环前，其为金属间化合物(intermetallic compound)或为单质(elemental)金属的形式；和(b)一种非电化学活性金属元素。该电极具有甚至在重复循环之后仍能保持的高初始容量。该电极还具有高库伦效率。

Kawakami和Asao(2005年)在美国专利No.6,949,312中公开了一种用于可再充电锂电池阳极的电极材料，包含一种包括基本上非化学计量比组合物的无定形Sn-A-X合金的粒子。所述化学式Sn-A-X中，A表示至少一种选自过渡金属元素的元素，X表示至少一种选自下组的元素：O、F、N、Mg、Ba、Sr、Ca、La、Ce、Si、Ge、C、P、B、Pb、Bi、Sb、Al、Ga、In、Tl、Zn、Be、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、As、Se、Te、Li和S，其中元素X不是必须含有的。

发明内容

本发明提供一种具有高容量和高倍率性能的优异容量保持特性的Sn-MC_x-C纳米结构阳极组合物，该Sn-MC_x-C阳极组合物能够减轻充放电过程中合金阳极遇到的体积膨胀，其中，x在0.01～4之间，且M选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Mo、W、Al、Si或其组合。在一些实施方案中，该Sn-MC_x-C阳极组合物包括TiC、Fe₃C、SiC，可包括或可不包括一种或多种掺杂剂，以形成掺杂的Sn-MC_x-C阳极组合物。

本发明还提供一种具有高容量和高倍率性能的优异容量保持特性的Sb-MO_x-C纳米结构阳极组合物，该Sb-MO_x-C阳极组合物能够减轻充放电过程中合金阳极遇到的体积膨胀，其中，x在0.01～3之间，且M选自Al、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Mo、W、Nb、Ta或其组合。在一些实施方案中，Sb-MO_x-C阳极组合物含有Al₂O₃、TiO₂、MoO₃，可包括或可不包括一种或多种掺杂剂，以形成掺杂的Sn-MO_x-C阳极组合物。

本发明提供一种制备Sb-MO_x-C纳米组合物的方法：提供一种包括Sb₂O₃源、M源和C源的纳米组合物；通过高能机械研磨处理，研磨所述纳米组合物，以形成在无定形M-氧化物和导电碳的基体中包括纳米结构Sb分散体的Sb-MO_x-C纳米组合物。在一些实施方案中，M源为Al时，无定形的M-氧化物是Al₂O₃；M源为Ti时，无定形的M-氧化物为TiO₂；M源为Mo时，无定形的M-氧化物是MoO₃。所述C源可以包括乙炔黑、石墨烯、石墨、硬碳或其它形式的碳或包含前驱体如葡萄糖和蔗糖的碳。