[发明专利]多孔、无定形锂存储材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含介孔中空硅颗粒的阳极。本发明还涉及介孔中空硅颗粒的合成方法。

背景技术

二次、或可再充电锂离子电池常用于许多固定和便携式设备，例如在消费电子、汽车和航天工业中遇到的那些。出于包括相对高的能量密度、相对于其他种类的可再充电电池而言一般不太显著的任何记忆效应、相对低的内阻以及不使用时低的自放电速率在内的各种原因，锂离子类电池已经得到普及。锂离子电池在其使用寿命内经受重复的功率循环的能力，使得它们成为引人注目和可靠的动力源。

发明内容

本发明在此披露了多孔无定形锂存储材料及其制备方法。在所述方法的一个实施例中，制备无定形相的锂存储材料和与该锂存储材料不溶混(immiscible)的材料的复合颗粒。在复合颗粒内部引发相分离以析出无定形相锂存储材料并形成相分离的复合颗粒。从相分离的复合颗粒中化学蚀刻该不溶混的材料以形成多孔、无定形锂存储材料颗粒。

具体地，本发明涉及以下方面：

1.一种制备多孔、无定形锂存储材料的方法，包括：

制备无定形相锂存储材料和与所述锂存储材料不溶混的材料的复合颗粒；

在所述复合颗粒内部引发相分离以析出无定形相锂存储材料并形成相分离的复合颗粒；和

从所述相分离的复合颗粒中化学蚀刻所述不溶混材料，由此形成多孔、无定形锂存储材料颗粒。

2.如方面1中所限定的方法，其中所述复合颗粒的制备包括：

将所述锂存储材料和所述不溶混材料一起熔化以形成混合物；

固化所述混合物以形成包括无定形相锂存储材料的复合物；以及

研磨所述复合物以形成复合颗粒。

3.如方面2中所限定的方法，进一步包括

通过控制被用于形成所述混合物的所述锂存储材料与所述不溶混材料的原子比来调整形成在所述多孔、无定形锂存储材料颗粒中的孔的尺寸。

4.如方面3中所限定的方法，进一步包括控制所述锂存储材料与所述不溶混材料的原子比大于1，从而所述相分离的复合颗粒包括其中嵌有不溶混材料的无定形相锂存储材料的基质。

5.如方面3中所限定的方法，进一步包括控制所述锂存储材料与所述不溶混材料的原子比等于或小于1，从而所述相分离的复合颗粒包括其中嵌有所述无定形相锂存储材料的所述不溶混材料的基质。

6.如方面2中所限定的方法，进一步包括：

从由硅和锗-金属合金构成的组中选择所述锂存储材料；和

从由锡、铝、银、铟和铁构成的组中选择所述不溶混材料。

7.如方面2中所限定的方法，其中固化混合物是通过以约10²K/s至约10⁵K/s的速率冷却所述混合物而完成的。

8.如方面2中所限定的方法，其中研磨是使用冷球磨将所述复合颗粒的尺寸降至20μm以下而完成的。

9.如方面2中所限定的方法，进一步包括添加成核添加剂至所述混合物以控制多孔锂存储材料颗粒中所形成的孔的尺寸。

10.如方面1所述的方法，其中制备复合颗粒包括：

输送包含锂存储材料前体的第一载体气体和包含不溶混材料前体的第二载体气体至具有预定温度的加热区，由此形成锂存储材料和不溶混材料的合金蒸气；以及

输送所述合金蒸气至具有预定温度的冷却区，由此形成复合颗粒。

11.如方面10所述的方法，其中：

所述锂存储材料前体为硅前体；

所述不溶混材料前体为锡前体；

加热区的预定温度为超过1000℃；以及

冷却区的预定温度为低于-20℃。

12.如方面10所述的方法，进一步包括控制第一载体气体和第二载体气体中的至少一个的流速，从而控制复合颗粒中的锂存储材料与不溶混材料的原子比。

13.如方面1所述的方法，其中引发相分离是通过在约300℃至约900℃的温度对所述复合颗粒退火而完成的。

14.如方面1所述的方法，其中化学蚀刻是用选自由盐酸、硫酸和硝酸组成的组中的酸而完成的。

15.如方面1所述的方法，进一步包括在所述多孔、无定形锂存储材料颗粒表面上施加钝化层。

16.一种锂存储材料，其包含：

具有约100nm至约20μm的尺寸的无定形硅颗粒；和

形成在所述无定形硅颗粒中的孔，所述孔具有约5nm至约1μm的受控的孔径。