[发明专利]硅基粉末以及包含硅基粉末的电极

说明书

本发明涉及粉末，具体地讲涉及硅基粉末，以及制备所述硅基粉末的方法。本发明还涉及用于包含所述粉末的锂离子电池的负极，以及包含所述负极的电池。

对于便携式电子设备而言，锂离子电池是使用最广泛的辅助系统。与水溶液可充电电池诸如镍镉电池和镍氢电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度、更高的工作电压、更低的自放电和低维护要求。这些特性使锂离子电池成为性能最高的可用二次电池。

特别是，石墨碳被用作制造锂离子电池的负极(“阳极”)的材料。石墨碳因其稳定的循环性能和其操作方面的高安全性而与其他材料诸如所谓“锂电池”中使用的锂金属不同。然而，石墨碳的缺点在于，其电化学电容(理论上为372mAh/g)远低于锂金属(理论上为4235mAh/g)。

因此，十多年来，提供新材料来作为锂离子电池的负极一直是许多研究的主题。作为此类研究的成果，开发出了硅基负极材料，这种材料可提供显著增大的能量密度。硅具有大的理论质量容量(3579mAh/g)，这对应于以下反应：15Li+4Si→Li₁₅Si₄，并且还具有大的体积容量(2200mAh/cm³)。然而，对于硅基材料在锂离子电池中的应用而言，硅基材料的微观结构及其在锂嵌入时巨大的体积膨胀使它们尚未达到可接受的寿命特征。

为了克服硅基材料的上述缺点中的一部分，在亚微米(纳米)尺度上合成了材料，使这些材料成为替代石墨碳的合适候选材料。制备亚微米硅基粉末的一种方法是如WO 2008/064741 A1中所公开的等离子体技术。

人们也进行了许多研究，试图进一步阻止硅基材料的体积膨胀，诸如使用氧化硅(SiO_x)基材料，其中x可为大于0且小于2的任意值。尽管SiO₂在包含锂离子时(此过程也称为“锂化”)具有良好的稳定性，0<x<2的其他氧化物仍可能表现出明显的体积膨胀(参阅A.N.Dey,J.Electrochem.Soc.,118(10),1547.(1971))(A.N.Dey，电化学学会志，第118(10)期，第1547页，1971年)。

利用硅和硅基材料的锂离子电池负极技术的其他进展可见于：US 8,124,279，该专利公开了包含BET表面积为5至700m²/g的纳米级硅颗粒的电极材料；US 8,420,039，该专利公开了用于锂离子电池的负极，该负极包含SiO_x粉末，0.7<x<1.5；以及WO 2012/000858，该专利公开了平均原生粒度在20nm和200nm之间的硅基粉末，其中该粉末的表层包含SiO_x，0<x<2，该表层的平均厚度在0.5nm和10nm之间，并且其中该粉末在室温下的总氧含量等于或小于3重量％。

为了进一步尝试改进此类电极，Miyachi等人(Abs.311,206th2004The Electrochemical Society,Inc.)(2004年电化学学会第206次会议，摘要311)通过气相沉积在Cu箔上沉积了SiO膜。SiO膜的XPS谱显示存在五种不同的Si氧化态，最突出的是Si³⁺和Si⁰。然而，此类电极的特性可被进一步优化。

EP 2343758公开了在核中和壳中具有不同x值的核-壳SiO_x基粉末，壳中的SiO₂含量通常偏低，从不超过41.4％的SiO₂这个值。

WO2013/087780公开了一种核-壳颗粒，这种颗粒具有硅核和SiOx壳，其通过OySiHx基团进一步官能化。

在上述出版物中报告的成果体现了改进二次锂离子电池负极的努力。然而，尽管这些成果有很多优点，但有必要进行进一步开发，以实现下一步改进；特别是为了提供在首次循环中不可逆容量损失更小并且循环寿命合适的锂离子电池。

因此，提供具有优化特性的硅基粉末可为本发明的一个目的，这又可有利地影响包含该硅基粉末的锂离子电池负极的特性，以及包括所述电极的所述电池的特性。