[发明专利]用于锂二次电池的阳极活性材料和其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锂二次电池的阳极活性材料和其制备方法。

背景技术

对于用于信息技术(IT)设备的电池或用于汽车的电池要求使用能够实现高容量和输出的锂二次电池的阳极材料。因此，硅作为具有高容量的锂二次电池的阳极材料已经吸引了人们的注意。例如，已知纯硅具有4200mAh/g的高的理论容量。

然而，如与碳基材料相比，硅具有恶化的循环性能，其对实际使用依然是障碍。所述原因是因为当作为阳极活性材料的无机颗粒如硅直接用作用于锂的吸收和释放材料时，由于充电和放电过程期间的体积变化，活性材料之间的电导率恶化，或所述阳极活性材料从阳极集电器分离。就是说，所述阳极活性材料中包括的无机颗粒如硅通过充电过程吸收锂，使得体积膨胀大约300％-400％。此外，当锂通过放电过程释放时，所述无机颗粒收缩，和当重复充电和放电循环时，由于在所述无机颗粒和所述阳极活性材料之间生成的空的空间，可能发生电绝缘，导致寿命迅速恶化，和因此，所述无机颗粒在用于二次电池时具有严重的问题。

另外，当硅用作阳极活性材料时，导电性低，和电池的电导率降低。由此，所述理论容量对于电池不足够高。另外，当由于体积膨胀在阳极活性材料与电极之间发生短路时，容量迅速降低。为了克服这些问题，在阳极浆液的制备中应当包括可用于增加电导率的导电材料以制备用于二次电池的电极。然而，在此情况下，进一步的问题是可能发生所述硅阳极活性材料与所述导电材料之间的分散性，和所述导电材料本身的吹出粉尘。

发明内容

技术问题

因此，为了进一步提高所述二次电池的充电和放电稳定性，本发明设计提供用于二次电池的阳极活性材料，其包含：包含碳-硅复合材料的芯层；和均匀地涂敷在所述芯层表面上的、包含导电材料和用于固定所述导电材料的碳质材料的壳层。

然而，本发明的主题并不限于上述主题，本发明的其它主题本领域技术人员从下面的描述中可以清楚地理解。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了用于二次电池的阳极活性材料，其包含：包含碳-硅复合材料的芯层；和均匀地涂敷在所述芯层表面上的、包含导电材料和用于固定所述导电材料的碳质材料的壳层。

所述芯层可以具有1:99-10:90的Si与C的质量比。

所述芯层可以包括选自以下构成的组中的至少一种碳质材料：天然或人造石墨、软质碳、硬质碳、沥青碳化物、煅烧焦炭、石墨烯(graphene)、碳纳米管、聚合碳化物和其组合。

所述芯层可以在相对于所述阳极活性材料60wt％-99wt％的范围内。

壳层中的导电材料可以包括选自以下构成的组中的至少一种：炭黑、乙炔黑、Ketjen黑、炉黑、碳纤维、富勒烯、铜、镍、铝、银、氧化钴、氧化钛、聚苯衍生物、聚噻吩、聚并苯、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺和其组合。

壳层中的导电材料可以在相对于所述阳极活性材料1wt％-40wt％的范围内。

壳层中用于固定所述导电材料的碳质材料可以包括选自以下构成的组中的至少一种：天然或人造石墨、软质碳、硬质碳、沥青碳化物、煅烧焦炭、石墨烯、碳纳米管和其组合。

根据本发明的另一方面，提供了用于制备用于二次电池的阳极活性材料的方法：包括(a)将碳源与包含硅颗粒和第一分散介质的浆液混合，和接着进行第一碳化作用以形成芯层；和(b)将所述芯层与导电材料和用于固定所述导电材料的碳质材料在第二分散介质中混合，和接着进行第二碳化作用以形成壳层。

在步骤(a)中，所述碳源可以包括选自以下构成的组中的至少一种：天然或人造石墨、软质碳、硬质碳、沥青、煅烧焦炭、石墨烯、碳纳米管、聚合物和其组合。

在步骤(a)中，浆液中的硅颗粒满足2nm<D50<180nm，其中D50表示所述硅颗粒在50％累积粒度分布时的平均直径。

在步骤(a)中，所述第一分散介质可以包括选自以下构成的组中的至少一种：N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、水、乙醇、甲醇、环己醇、环己酮、甲基乙基酮、丙酮、乙二醇、辛炔、碳酸二乙酯、二甲基亚砜(DMSO)和其组合。

在步骤(a)中，所述浆液可以进一步包含添加剂。所述添加剂包括选自以下构成的组中的至少一种：聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙酸乙烯酯、聚马来酸、聚乙二醇、聚乙烯基树脂、其共聚物、包含对Si具有高亲和性的嵌段和对Si具有低亲和性的嵌段的嵌段共聚物，和其组合。