[发明专利]负极活性物质和包括所述负极活性物质的锂电池

说明书

相关申请

本申请要求2011年10月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0101437的优先权和权益，其公开内容全部通过引用并入本文。

技术领域

本发明的一个或多个实施方式涉及负极活性物质和包括所述负极活性物质的锂电池。

背景技术

在用于信息通信的便携式电子设备(如PDA、移动电话或笔记本电脑)，电动自行车、电动车等中使用的锂二次电池具有为常规电池的至少两倍高的放电电压且因此具有高的能量密度。

锂二次电池通过当锂离子嵌入正极和负极中或从正极和负极脱嵌时发生的氧化和还原反应产生电能，所述正极和负极各自包括能够嵌入和脱嵌锂离子的活性物质，且有机电解质溶液或聚合物电解质介于所述正极和负极之间。

作为用于锂二次电池的正极活性物质，例如，可使用包括锂和过渡金属且具有能够嵌入离子的结构的氧化物。这样的氧化物的实例为锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂镍氧化物(LiNiO₂)、锂镍钴锰氧化物(Li[NiCoMn]O₂或Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂)等。

作为负极活性物质，使用碳质基体材料和非碳质基体材料，其能够嵌入或脱嵌锂离子，且已不断地进行对其的研究。碳质基体材料的实例为人造、天然石墨、和硬碳。非碳质基体材料的实例为Si。

非碳质基体材料具有非常高的容量，其为石墨的10倍高。但是，由于在充电和放电期间的体积膨胀和收缩，其容量保持率、充电/放电效率和使用期限(寿命)特性可退化。因此，需要开发具有改善的效率和寿命特性的高性能负极活性物质。

发明内容

本发明的一个或多个实施方式的方面涉及具有改善的容量特性和循环寿命特性的负极活性物质。

本发明的一个或多个实施方式的方面涉及包括所述负极活性物质的锂电池。

另外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的实施方式的实践获知。

根据本发明的一个或多个实施方式，负极活性物质包括一次粒子。所述一次粒子包括：结晶碳质核，在其表面上具有基于硅的纳米线；和无定形碳质包覆层，其包覆在所述结晶碳质核上以使所述基于硅的纳米线的至少一部分不暴露。

根据本发明的实施方式，所述基于硅的纳米线的至少50体积%可嵌入所述无定形碳质包覆层中。

根据本发明的一个或多个实施方式，所述无定形碳质包覆层的厚度可在约0.1-约10μm的范围内。

根据本发明的一个或多个实施方式，所述无定形碳质包覆层的D/G比可为0.31或更大，其中所述D/G比为在拉曼光谱中D(缺陷)带峰强度面积对G(石墨)带峰强度面积之比。

根据本发明的一个或多个实施方式，所述无定形碳质包覆层可包括选自如下的无定形碳：软碳(冷煅烧碳)、硬碳、沥青碳化材料、中间相碳化材料、煅烧焦炭、及其组合。

根据本发明的一个或多个实施方式，所述无定形碳质包覆层的量可在基于所述一次粒子的约0.1-约30重量%的范围内。

根据本发明的实施方式，所述结晶碳质核可具有约0.2-约1的圆度。例如，所述圆度可在约0.7-约1、或约0.8-约1、或约0.9-约1的范围内。

根据本发明的实施方式，碳质材料可在其中包括孔，且其孔隙率可在约5-约30%的范围内。

根据本发明的实施方式，所述结晶碳质核的D/G比可为0.3或更小，其中所述D/G比为在拉曼光谱中D(缺陷)带峰强度面积对G(石墨)带峰强度面积之比。

所述结晶碳质核可包括天然石墨、人造石墨、可膨胀石墨、石墨烯、炭黑和富勒烯灰(烟炱，soot)的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述结晶碳质核的平均粒径可在约1-约30μm的范围内。

根据本发明的实施方式，所述基于硅的纳米线可包括如下的至少一种：Si、SiOx(0<x≤2)和Si-Z合金(其中Z为碱金属、碱土金属、13族元素、14族元素、过渡金属、稀土元素、或其组合，且不为Si)。例如，所述基于硅的纳米线可为Si纳米线。

根据本发明的实施方式，所述基于硅的纳米线各自独立地可具有约10-约500nm的直径和约0.1-约100μm的长度。