[发明专利]锂离子蓄电池的阳极材料

说明书

政府利益的陈述

本发明是通过能源部授权号DE-AC02-05CH11231和能源部授权号DE-SC005397使用美国政府的资金开发。美国政府对本发明具有某些权利。

优先权声明

本申请案要求2011年8月19日提交的题为“锂离子蓄电池的阳极材料”的美国临时专利申请案第61/525,532号的优先权，所述美国临时专利申请案以全文引用的方式并入本文中。本申请案还要求2011年9月26日提交的题为“锂离子蓄电池的阳极材料”的美国临时专利申请案第61/539,135号的优先权，所述美国临时专利申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及在蓄电池中，特别是锂离子二次(可再充电)蓄电池中可用作阳极的材料。本发明还涉及含有所述材料的阳极和蓄电池。本发明另外涉及制造所述材料的方法和使用所述材料的阳极和蓄电池。

背景技术

蓄电池和电化学电池的基本原理

蓄电池可分成两种主要类型，一次蓄电池和二次蓄电池。一次蓄电池可使用一次且接着被耗尽。二次蓄电池还常常称为可再充电蓄电池，因为它们在使用后可连接到电源(例如壁式插座)且再充电并再次使用。在二次蓄电池中，每一次充电/放电过程称为一次循环。二次蓄电池最终达到其可用寿命终点，但通常仅在多次充电/放电循环之后。

二次蓄电池由电化学电池和任选其它材料组成，所述其它材料例如保护电池的包装和使蓄电池与外界接口的线路或其它连接件。电化学电池包括两个电极，即正电极或阴极和负电极或阳极；分隔电极使得蓄电池不短路的隔离物；和以化学方式连接电极的电解质。

在操作中，二次蓄电池交换化学能和电能。在蓄电池放电期间，具有负电荷的电子离开阳极且穿过外部导电体(例如手机或计算机中的线路)到达阴极。在穿过这些外部导电体的过程中，电子生成电流，提供电能。

同时，为了保持阳极和阴极的电荷呈中性，具有正电荷的离子离开阳极并进入电解质，且正离子也离开电解质并进入阴极。为了使这一离子运动运行，通常相同类型的离子在进入阴极的同时离开阳极。另外，电解质通常也含有这一相同类型的离子。举例来说，在锂离子蓄电池中，离开阳极、进入阴极并在电解质中发现的离子为锂离子(Li⁺)。

为了使蓄电池重新充电，同一过程逆向发生。通过给电池供应能量，诱导电子离开阴极且移动进入阳极。同时，正离子(例如Li⁺)离开阴极并进入电解质，且Li⁺离开电解质并进入阳极以保持整个电极电荷呈中性。

除含有交换电子和离子的活性材料之外，阳极和阴极常常含有其它材料，例如施用浆液并干燥的金属衬底。浆液常常含有活性材料以及帮助其粘着于衬底和导电材料(例如碳粒子)的粘合剂。一旦浆液干燥，其在金属衬底上形成涂层。

除非指定额外材料，否则如本文所述之蓄电池包括仅为电化学电池的系统以及更复杂的系统。

锂离子蓄电池中的阳极

为了使蓄电池适当地起作用，阳极、阴极和电解质中所用的材料通常选择为具有相容电学、化学和电化学性质的。举例来说，可选择在相容电压下操作的材料。许多可再充电锂离子蓄电池由于电压相容性而使用碳(通常呈石墨形式)作为阳极。然而，石墨具有许多缺点。

首先，石墨阳极在蓄电池性质方面产生限制。举例来说，其将理论质量容量限定为372mAh/g，且将理论体积容量限定为830Ah/L或将实际体积容量限定为约350Ah/L，意味着多种应用需要较重且较大的蓄电池来供应足够能量。在一些情况下，这并不导致严重问题，但在其它情况下，例如其导致汽车重得多且效率较低或膝上型计算机较重的情况下，这是一个相当大的缺点。

其次，碳阳极表面易于与电解质产生不希望发生的化学反应。这可导致新化合物的形成，所述新化合物沉积于固体-电解质界面(SEI)层中的碳阳极表面上。SEI层可阻挡锂离子进入阳极且干扰蓄电池功能。