[发明专利]SI/C电活性材料的组合物

说明书

发明领域

本发明涉及包含电活性材料的粒子和添加剂的组合物，以及所述组合物在包括燃料电池和可再充电金属离子电池的装置中的用途。

发明背景

可再充电金属离子电池，例如锂离子电池，广泛地用于便携式电子设备如移动电话和笔记本电脑，并且在电动车和混合动力车中发现了越来越多的应用。

可再充电金属离子电池具有阳极层；能够释放和再插入金属离子的阴极层；和在阳极层和阴极层之间的电解质。当电池组电池完全充电时，金属离子已经通过电解质从含有金属离子的阴极层被输送至阳极层中。在锂离子电池的石墨基阳极层的情况中，锂与石墨反应以产生化合物Li_xC₆(0＜＝x＜＝1)。作为复合材料阳极层中的电化学活性材料，石墨具有372mAh/g的最大容量。

可以具有比石墨更高容量的硅基活性阳极材料的使用也是已知的。

WO2009/010758公开了侵蚀硅粉末以便制造在锂离子电池中使用的硅材料。

Xiao等人，J.Electrochem.Soc.，第157卷，第10期，A1047-A1051页(2010)，“用于Li离子电池的硅阳极的稳定化(Stabilization of Silicon Anode for Li-ion Batteries)”公开了包含硅粒子和科琴黑碳(Ketjenblack carbon)的阳极。

Lestriez等人，Electrochemical and Solid-State Letters(电化学与固态快报)，第12卷，第4期，A76-A80页(2009)，“用于高能Si负极的桥接碳纳米管和纳米纤维的分层和弹性导电网络(Hierarchical and Resilient Conductive Network of Bridged Carbon Nanotubes and Nanofibers for High-Energy Si Negative Electrodes)”公开了含有多壁碳纳米管和气相生长的纳米纤维的复合材料电极。

US2011/163274公开了硅的电极复合材料、碳纳米管和碳纳米纤维。

本发明的一个目的是提供一种用于能够维持高容量的金属离子电池的阳极组合物。

本发明的另一个目的是提供一种用于由浆料形成金属离子电池的阳极的组合物。

发明概述

在第一方面中，本发明提供一种组合物，所述组合物包含至少50重量％的第一颗粒电活性材料和至少3-15重量％的包含伸长碳纳米结构体和炭黑的碳添加剂，其中：

所述伸长碳纳米结构体包含至少第一伸长碳纳米结构体材料和第二伸长碳纳米结构体材料；并且

伸长碳纳米结构体∶炭黑的重量比在3∶1至20∶1的范围内。

任选地，所述第一颗粒电活性材料是含硅材料。

任选地，所述组合物包含至多80重量％、任选60-80重量％的第一颗粒电活性材料。

任选地，所述第一颗粒电活性材料包含具有粒子核心和从所述粒子核心延伸的电活性柱状物的粒子。

任选地，所述含硅粒子的所述柱状物是硅柱状物。

任选地，所述含硅粒子的所述核心包含硅。

任选地，所述含硅粒子基本上由n-或p-掺杂的硅组成，并且其中所述柱状物与所述核心构成整体。

任选地，所述第一伸长纳米结构体具有至少100nm的中数平均直径。

任选地，所述第二伸长碳纳米结构体材料具有不大于90nm的中数平均直径，任选在40-90nm范围内的中数平均直径。

任选地，第一伸长纳米结构体∶第二伸长纳米结构体的重量比在2.5∶1至20∶1的范围内。

任选地，所述至少第一和第二伸长碳纳米结构体各自独立地具有至少50的纵横比。

任选地，所述第一和第二碳伸长纳米结构体材料各自独立地选自碳纳米管和碳纳米纤维。

任选地，所述第一碳伸长纳米结构体材料是纳米纤维并且所述第二伸长碳纳米结构体材料是纳米管。

任选地，以在所述组合物的0.1-15重量％范围内的总量提供所述至少第一和第二伸长碳纳米结构体材料。

任选地，所述伸长碳纳米结构体材料中的一种或多种具有官能化的表面，任选地，用含氮基团或含氧基团官能化的表面。

任选地，所述组合物还包含石墨。

任选地，在所述组合物中以1-30重量％、任选1-20重量％、任选1-15重量％、任选1-12重量％、任选1-6重量％的量提供所述石墨。