[发明专利]用于锂离子电池阳极的复合材料及其制作方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及用于电池电极的复合材料领域，特别涉及有关锂离子电池。

【背景技术】

与普通电池相比，锂离子电池能够存储更多电能，广泛用于多种便携式电器。当对锂离子电池进行充电时，锂离子从阴极流向阳极。阳极嵌入锂离子，从而存储电能。在使用电池时，锂离子从阳极流向阴极，阴极同时将持有的电子由外部电路放电。

典型的锂电池有一个石墨阳极，该石墨阳极有一个已知结构，就是由碳原子组成的分子平面，各平面以平行于基面的方向有序地堆砌，锂离子可以进入到各平面之间，存储为锂。这种石墨阳极的理论比容量是372mAh/g(毫安×小时/克)，其远远达不到现代移动设备的要求。因此提出了能够吸收更多锂从而增加-阳极容量的其它材料，如铝、硅等。但是，使用这些材料遇到各种问题。例如，硅和锡因其体积膨胀，用作阳极材料很不稳定，最终会削弱电池的使用寿命。

有人提议用锡取代石墨用在阳极上。锡的工作方式跟石墨类似，其提供一个锂能够嵌入的结构，只是其理论容量更高，有990mAh/g。而且，锡同样有较高的体积膨胀系数。在对锡进行嵌入锂合金化和去合金化期间，锡结构会膨胀和收缩，这很容易破坏结构，导致阳极内的电容衰减。

还有人提议使用体积膨胀较小的锡基材料代替锡。但是，这些锡基材料对电池电解液具有较差的导电性能和兼容性。

因此，期望有一种能够缓解上述问题的方法和装置。

【发明概述】

本发明一方面是一种用于锂离子电池阳极的复合材料，其包括一个具有孔隙的导电材料；以及一个在孔隙内壁上更导电的材料。这种具有结构特征的第一材料的优点是能够包含更多电池电解质如锂离子，其与第二材料结合使用，第二材料比第一材料具有更好的导电性。

优选地，该材料是一种锡基非晶态材料，如一种Sn-P-O基质（matrix）的材料，其可以包含磷酸锡、锡(II)基材料或锡(IV)基材料等的各种化合物。

此外，具有更好导电性的第二材料最好是一种碳质材料，如一个碳层或碳结构层。

优选地，在孔隙里边比在孔隙开口或周围具有更多量的较好导电材料。例如，在孔隙里边的碳质材料比在孔隙开口处的更厚或更密或更深。从而，锂离子电池内的锂离子可以被拖曳到孔隙的更深处，而不是仅仅聚集在孔隙开口处。从而降低由锂本身导致的堵塞，能够最大化导电材料包含锂的容量。

此外，更导电的材料占复合材料重量的5～20%。

通常，导电材料包括≥30%的锡、5～30%的磷、以及任意数量的氧。但是，导电材料也可能包括20～75%的锡、5～30%的磷、以及任何剩余量的氧。

另一方面，本发明提出了一种用于锂离子电池阳极的复合材料的制作方法，其包括步骤：提供一种具有孔隙的导电材料，孔隙包含一种可分解物质；将可分解物质分解以在孔隙内壁上形成一种更导电的材料。因此，本发明可以将孔隙内的分解物质在孔隙内原处热分解，从而在孔隙内壁上形成一种更导电的材料。通过在原处分解并同步涂敷，使得较小的孔隙内壁上可以轻易地被涂敷上，同时确保导电材料的多孔性。

优选地，可分解物质是一种碳基材料，其可以被碳化、或分解成碳或短碳链层，其比锡基材料拥有更好的导电性。

通常，该方法包括步骤：在惰性气体里碳化碳基材料。惰性气体避免碳质材料被氧化成二氧化碳或一氧化碳，作为气体逃逸。但是，该步骤可能增加的一个方法是，引入微量的氧到通常的惰性气体中。提供的氧的量要只允许在孔隙开口处的碳被氧化，这使得孔隙开口处的碳质材料比孔隙里边的要少。将氧气引入惰性气体中，最好是在碳基材料被认为已经充分碳化后才进行。

另外，本方法包括步骤：在还原性气体里碳化碳基材料，以还原出锡(IV)到锡(II)。锡(II)要求较少的阴离子，如氧化物和磷酸盐。当锂被附着到阴离子上，锂就变得离不开阴离子。还原的锡(IV)至锡(II)减少阴离子，因此能够最小化锂离子永久附着的机会，相应能够提供更高的电池容量。另外，和物质分解的步骤分开，在之前或之后的步骤里，复合材料在还原性气体里被加热。

可选地，电极材料是一种锡基材料，本方法包括之前的步骤：在表面活性剂中，沉淀出锡基材料的微小颗粒；添加凝结剂以凝结该沉淀物和表面活性剂，以形成锡基材料混合有表面活性剂和凝结剂的沉积物，凝结剂是碳基材料；从凝结的沉淀物中去除表面活性剂以形成孔隙在锡基材料里。表面活性剂的去除，最好通过加热、蒸发或分解表面活性剂来完成。在此阶段，通过在空气中加热，存在于表面上的碳物质通常是与表面活性剂一起被去除。优选地，在凝结的沉淀物里的表面活性剂和凝结剂在不同温度范围内分解。