[发明专利]用于具有提高的寿命特性的二次电池的负极活性材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于具有提高的寿命特性的二次电池的负极活性材料和包含其的二次电池。

背景技术

随着移动装置技术的持续发展和对其需求的持续增加，对作为能源的二次电池的需求在快速增加。在这些二次电池中，具有高能量密度和电压并且展示长寿命和低自放电率的锂二次电池是市售并广泛使用的。

特别地，用于电动车辆等的锂二次电池需要高能量密度、高的短期功率输出，且需要在高电流的快速重复充放电的恶劣条件下使用10年以上，因此需要具有优异的输出特性和比现有的小型锂二次电池更长的寿命。

作为用于常规小型装置的锂离子二次电池所用的负极活性材料，主要使用碳类化合物中的石墨类材料，所述碳类化合物可逆地接收或供应锂离子同时大致上保持结构和电性质，且具有诸如在锂离子的插入和放出时几乎类似于金属锂的化学电位的特性。

然而，包含由这种石墨类材料构成的负极活性材料的负极的理论最大容量为372mAh/g(844mAh/cc)，因此容量增加受到限制。因此，难以表现作为快速变化的下一代移动电话的能源的足够功能。此外，由于石墨类材料的高倍率放电特性不优异，所以将所述石墨类材料应用于应快速供应高电力(high electricity)的电源诸如电动车辆、混合动力电动车辆、电动工具等受到限制。

另外，由于被视为负极活性材料的锂金属具有非常高的能量密度，所以可以实现高容量。然而，存在诸如由于在重复充放电时的枝晶生长而导致的稳定性问题和短的循环寿命的问题。另外，尝试了使用碳纳米管作为负极活性材料，但被指出诸如低的生产力、高成本、50％以下的低初始效率的问题。

已知作为另一种负极活性材料的硅、锡或其合金可以通过与锂形成化合物的反应可逆地吸藏和放出大量锂，并且对此正在进行大量研究。由于硅例如具有约4020mAh/g(9800mAh/cc，比重：2.23)的远大于石墨类材料的理论最大容量，所以硅酮是作为高容量负极材料的优异候选者。然而，所述负极材料具有诸如在充放电期间体积变化非常大和高倍率放电特性不优异的缺点。

另外，当电池由通过混合不同材料种类而获得的活性材料构成时，认为充电电流在电池的充放电期间由于在不同材料之间的电压差而进入一种材料中，这劣化电池的寿命特性。

因此，对展示预定的容量、高放电特性和寿命特性的负极活性材料存在迫切需求。

就这一点而言，首先可以考虑通过涂布具有非晶质碳层的结晶碳类化合物而形成的负极材料。然而，在这种情况下，能量密度提高，但由于包含在负极材料中的非晶质碳类化合物的比率低而难以预期有高的输出。另外，由于涂层的导电性差而不可能获得期望水平的寿命特性。

在另一个实施方案中，可以考虑如下负极材料，其通过利用无定形碳类化合物中的易石墨化材料对难石墨化粒子表面进行涂布并且通过烧制涂布的粒子直至石墨化温度而涂布有晶质涂层。即，通过经高温处理使粒子表面的易石墨化材料晶化，可以考虑展示高导电性的负极材料。然而，为了获得具有足够水平导电性的涂层，应在相当高的温度(2800℃以上)下进行烧制。在该过程中，相当一部分作为核的难石墨化粒子可能也会晶化。

因此，迫切需要解决这些问题的技术。

发明内容

技术问题

因此，已经完成了本发明以解决以上和其他尚未解决的技术问题。

作为大量广泛和深入研究及试验的结果，本发明的发明人开发了可以展示预定的容量及优异的放电特性和寿命特性的负极活性材料，如下所述，由此完成本发明。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供二次电池用负极活性材料，所述负极活性材料包含硅(Si)和非晶质硬碳或低结晶性软碳。

在一个具体实施方案中，负极活性材料可以包含2重量％～40重量％的硅和60重量％～98重量％的非晶质硬碳或60重量％～98重量％的低结晶性软碳。

本申请的发明人确认，当负极活性材料包含如上所述在预定的范围内具有相似充电曲线的硅(Si)、非晶质硬碳或低结晶性软碳时，在包含所述负极活性材料的电池的充电期间，所述不同的材料类型具有相同的C倍率，由此可以有效地提高包含所述负极活性材料的二次电池的寿命特性。

在二次电池用负极活性材料中包含的非晶质硬碳或低结晶性软碳可以具有350mAh/g～500mAh/g的容量。

在根据本发明的负极活性材料中，可以将硅分散在非晶质硬碳或低结晶性软碳的表面上。