[发明专利]负极材料，含有该材料的负极和电池，和该材料的制备方法

说明书

本发明涉及用于电池或蓄能器的材料，特别涉及用于蓄能器的负极的材料，例如用于锂离子二次电池的负极的材料。

本发明进一步涉及这种材料的用途。

本发明还涉及含有这种材料的电极。

本发明还涉及电池或蓄能器，其包括包括这种材料的电极。

最后本发明涉及用于电池或蓄能器的材料的制备方法，尤其是用于蓄能器的负极的材料的制备方法，例如用于锂离子二次电池的负极的材料的制备方法。

锂离子二次电池用于许多电动设备，更特别地用于日常生活，以保证能量供给。在过去的几年中，锂离子二次电池已经越来越多取代迄今使用的二次电池，特别是在便携式电子设备方面。其原因是，锂离子二次电池可以具有很高的能量密度。

对于锂离子二次电池的负极，碳用作主要的主体材料。碳的形式可以是，例如所谓的导电碳黑或(同样导电的)石墨。导电碳黑或石墨形式的碳是特别被关注并使用的，这是因为，在充电和放电操作的过程中，碳在可逆嵌锂(Interkalation von Lithium)时的体积变化非常小。然而，使用碳的一个很大的缺点是最大容量受限，例如，石墨的最大容量限于约372mAh/g。

鉴于碳的限制，如导电炭黑或石墨的限制，已经在努力寻找用于锂离子二次电池负极的替代材料，或优化现有材料。在这方面，WO 2005/096414A2提出使用纳米硅颗粒以及常用粘合剂。硅可以很高程度地结合锂，这将引起高的理论比容量。然而，硅在可逆摄取锂时会产生显著的体积变化，这是不利的。因此，WO 2005/096414A2提出使用纳米级的硅颗粒制备负极材料。据说这是为了确保在小的不可逆容量损失情况下，可逆的掺入和放出锂时，电极材料具有足够的稳定性。然而，研究表明，仅在低的电极电流应力(Strombelastung)时，实现循环稳定性。在高电流应力恒定电流循环操作的情况下，经过几个循环后容量显著下降。

另外已知的是使用硅的合金作为锂离子二次电池负极的电活性材料，例如，US2009/0061322A1。在这种情况下，也可使用硅-钛合金或者硅与铜的合金或其它硅合金。此外，对这些合金中的硅进行了掺杂，例如，硼，铝或镓。这些材料的一个缺点是复杂的制备过程或需要对材料进行掺杂。

根据US6300013B1，使用硅作为锂离子二次电池负极的电活性材料。在这种情况下，硅是以硅合金的形式，特别是硅-镁合金系统中的合金。然而，这些合金中，也可能在可逆的掺入和放出锂时产生相对大的体积变化，因此为了缓冲体积变化，同时必须提供50重量％以上(％重量)的高碳含量。

本发明的目的是提供开始时所述的类型的材料，使用该材料可以确保在长周期(Zeitraum)内锂可逆的掺入(Einlagerung)和放出(Auslagerung)，其相应于稳定的容量。

本发明的进一步的目的是这种材料的用途。

本发明的更进一步的目的是提供电极，使用该电极可以确保在长周期内锂可逆的掺入和放出，其相应于稳定的容量。

本发明的另一个目的是提供电池或蓄能器，其电极确保在长周期内锂可逆的掺入和放出，其相应于稳定的容量。

最后，本发明的目的是提供在开始时所述的类型的方法，使用该方法可以制备材料，其确保在长周期内锂可逆的掺入和放出，其相应于稳定的容量。

第一个目的通过在开始时所述的类型的材料实现，所述材料包括或由以下组成：

a)碳；

b)合金和/或混合物，其具有硅与至少一种元素周期表中不包括锂的第一主族元素的，和任选的至少一种另外的金属元素和生产相关的杂质，在混合物的情况下，这些元素分布在硅相内；

c)粘合剂，该粘合剂结合碳和合金和/或混合物以得到固体材料。

通过本发明实现的一个优点是，在使用该材料作为电极材料时，可确保频繁的可逆的掺入和放出锂以及稳定的容量，特别是用于锂离子二次电池的负极。已经发现，令人惊讶的是，高纯度硅与除锂之外的任选至少一种周期表的第一主族元素反应产生合金或任选的混合物，所述合金或混合物具有基本恒定的容量，即使在较高的电流应力或在高容量下的恒定电流循环操作，例如，50个循环的情况下。在这方面，实验还发现，令人惊讶的是，使用元素周期表中第二主族的元素作为合金或混合物的成分并不能得到相应的有利的结果。然而，元素周期表中第二主族的元素和任选的其他的金属元素也可以较小的量存在于合金和/或混合物中。此外，与硅的生产相关联的杂质也可能存在，其本身不会造成干扰。