[发明专利]硅‑嵌段共聚物的核壳纳米颗粒和阳极活性材料

说明书

技术领域

本发明涉及缓冲体积变化的硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒和使用该纳米颗粒的用于锂二次电池的阳极活性材料。

背景技术

随着技术的发展和对移动装置需求的增加，对作为能源的二次电池的需求正在快速增加，此外，显示出高能量密度和工作电压以及低自放电率，且具有长循环寿命的锂二次电池被商品化且在本领域中被广泛应用。

另外，由于对环境问题关注的增加，可替代使用矿物燃料的车辆（诸如汽油车、柴油车等）的电动车和混合电动车成为研究的重点，而锂二次电池在商品化阶段中作为这样的电动车、混合电动车等的能源。

虽然锂在本领域中已经被用作阳极活性材料，但当使用锂时，存在由于枝晶的形成而使电池短路时发生爆炸的危险。因此，碳类材料替代锂被广泛用作阳极活性材料。

用作锂二次电池的阳极活性材料的碳类材料的实例包括结晶碳（诸如天然石墨和人造石墨）和非晶碳（诸如软碳和硬碳）。尽管非晶碳具有大容量，但是在充电和放电过程中有高不可逆性的问题。在结晶碳中，典型地使用石墨作为阳极活性材料。虽然石墨作为阳极活性材料具有372mAh/g的高理论极限容量，但石墨具有使用寿命严重恶化的缺点。

另外，因为不管其大的理论容量如何，石墨或碳类活性材料最多具有大约372mAh/g的容量，因此存在前面提到的阳极不能被用于高容量锂二次电池的问题。

为了解决这样的问题，近几年已经对金属或金属间化合物类的阳极活性材料进行了积极地研究。例如，在本领域已经对使用金属或半金属（诸如铝、锗、硅、锡、锌、铅等）作为阳极活性材料的锂二次电池进行了研究。因为这样的材料具有高容量和高能量密度，且可以比使用碳类材料的阳极活性材料吸留和释放更多的锂离子，因此相信可以使用这样的材料制备具有高容量和高能量密度的锂二次电池。例如，已知纯硅具有4017mAh/g的高理论容量。

但是，由于与碳类材料相比循环性能的恶化，硅阳极在商品化中具有困难，因为由于在充电和放电过程中体积的变化而使在活性材料之间的传导性恶化，或者当无机颗粒（诸如硅和锡）被用作阳极活性材料以吸留和释放锂时，阳极活性材料从阳极集电器上剥落。也就是说，因为包含在阳极活性材料中的无机颗粒（诸如硅和锡）在充电过程中吸留锂，无机颗粒的体积扩大约300%～400%。此外，当在放电过程中释放锂时，无机颗粒缩小。因为在重复充电和放电过程中在无机颗粒和阳极活性材料之间产生的空的间隙（empty space）可能导致发生电绝缘，从而可使锂二次电池具有使用寿命快速恶化的缺点，因此无机颗粒在应用于锂二次电池中具有严重的障碍。

发明内容

本发明旨于在分散和涂敷工艺过程中，形成缓冲在锂二次电池的充电和放电过程中由于硅产生的体积变化的层。本发明的一个方面是提供硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒和含有该硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒的阳极活性材料，所述硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒包括：硅核；以及，嵌段共聚物壳，所述嵌段共聚物壳包含对硅具有高亲和性的嵌段和对硅具有低亲和性的嵌段，且所述嵌段共聚物壳围绕所述硅核形成球形胶束结构。

但是，本发明的各方面并不受限于上述方面，且从下面的描述中本发明的其它方面将变得对于本领域技术人员来说是明显的。

根据本发明的一个方面，硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒包括：硅核；以及，嵌段共聚物壳，所述嵌段共聚物壳包含对硅具有高亲和性的嵌段和对硅具有低亲和性的嵌段，且所述嵌段共聚物壳围绕所述硅核形成球形胶束结构。

本发明的一个实施方式提供了一种制备包含硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒的混合溶液的方法，该方法包括：a）混合嵌段共聚物和溶剂，所述嵌段共聚物包含对硅具有高亲和性的嵌段和对硅具有低亲和性的嵌段；b）添加硅颗粒至所述混合溶液；以及，c）分散和涂敷含有所述硅颗粒的混合溶液。

本发明的另一实施方式提供了通过硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒的碳化作用形成的碳化的硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒。

本发明的又一实施方式提供了一种用于锂二次电池的阳极活性材料，该用于锂二次电池的阳极活性材料包括：在其中具有孔隙的非晶碳；以及，分散在所述孔隙中的碳化的硅-嵌段共聚物的核壳纳米颗粒。