[发明专利]多孔电活性材料

说明书

本发明提供了包含多个电活性多孔粒子片段的组合物，所述电活性多孔粒子片段含有硅作为电活性材料，所述组合物的特征在于各多孔粒子片段包含由含硅壁界定和分隔的孔隙的网络。该孔隙网络合适地包含贯穿粒子体积的孔隙的三维排列，其中在粒子表面上在两面或更多面上提供孔隙开孔。本发明第一方面的组合物是电活性材料，其能与锂形成合金并可用于制造锂离子二次电池中所用的阳极。还公开了制造该含硅的多孔粒子片段的方法。

本发明涉及包含硅的电活性材料；这种材料在电极制备中的用途；包括本发明的电活性硅材料的电极；电极在电化学电池制备中的用途和包括这种电极的电化学电池或电池组。

1.背景

锂离子可充电电池是公知的。锂离子可充电电池的基本构造显示在图1中。该电池组电池包括单电池，但也可包括多个电池。

电池组电池通常包含用于阳极的铜集流体10和用于阴极的铝集流体12，它们可视情况外接至负荷或外接至充电源。应该指出，术语“阳极”和“阴极”在本说明书中如这些术语在电池组跨接于负荷上的情形中理解的那样使用，即术语“阳极”是指负极，术语“阴极”是指电池组的正极。石墨基复合阳极层14覆盖集流体10，含锂金属氧化物基复合阴极层16覆盖集流体12。在石墨基复合阳极层14和含锂金属氧化物基复合阴极层16之间提供多孔塑料隔片或隔板20：液体电解质材料分散在多孔塑料隔片或隔板20、复合阳极层14和复合阴极层16内。在一些情况下，多孔塑料隔片或隔板20可以被聚合物电解质材料替代，在这样的情况下，在复合阳极层14和复合阴极层16内都存在该聚合物电解质材料。

当该电池组电池完全充电时，锂从阴极中的含锂金属氧化物经由电解质输送到石墨基阳极中，在此其通过与石墨反应而插层产生锂碳化合物，通常为LiC₆。作为复合阳极层中的电化学活性材料的该石墨具有372mAh/g的理论最大容量。

硅作为二次电池（例如锂离子电池）中的活性阳极材料的用途是公知的（参见例如，Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries,M.Winter,J.O.Besenhard,M.E.Spahr,和P.Novak in Adv.Mater.1998,10,No.10以及Wang,Kasavajjula等人,J.Power Source,s163(2007)1003-1039）。通常相信，硅在用作锂离子可充电电池中的活性阳极材料时可提供明显高于目前使用的石墨阳极材料的容量。硅在通过与电化学电池中的锂反应转化成化合物Li21Si5时具有4,200mAh/g的理论最大容量，明显高于石墨的最大容量。

在锂离子电化学电池中使用硅或硅基活性阳极材料的早期方法包括使用硅块阳极、包含纳米级和微米级硅粉的硅粉阳极、薄膜硅阳极和包含不同于粉末或者除粉末之外的硅结构的硅阳极。还已经研究了包含硅在无活性或活性基质材料中的分散体的复合阳极。但是，许多方法无法在所需的充放电循环数内表现出持久或充足的容量。

包含硅块的电极无法经多个充放电循环表现出良好的容量保持和循环能力。这种差的性能归因于在充电循环过程中在电极结构内出现的机械应力。锂离子在充电循环过程中插入或嵌入硅块结构中，导致含硅材料的巨大膨胀，这造成电极结构内的机械应力积聚，并最终分别造成电极结构的部件与集流体内和之间的开裂、层离和接触损失。

应该理解的是，术语“插层”在联系电活性材料、特别是本文中提到的含硅材料使用时，包括锂插入并破坏含结晶或非晶硅的材料的结构的过程以及锂在规定该含硅结构的晶面之间分散的过程。前一过程更适当地被称作嵌锂，并对包含纯或基本纯的结晶、非晶和/或多晶硅的材料观察到。但是，硅的一些化合物或合金也表现出这种形式的性能。锂在含结晶或多晶硅的材料内的晶面之间的分散更常被称作“插层”并通常对包含硅的化合物或合金的材料观察到。

为了克服与硅块阳极相关的应力，已经制造出包括更容易适应充电时出现的体积变化的硅结构的阳极。