[发明专利]用于锂离子电池阳极的方法和材料

说明书

提供硅和碳材料的高度多孔协同组合，以及结合此类材料的制品和用于生产所述材料的方法。组成物具有新颖特性，而且当在锂电池单元(包括固态电池)中用作阳极材料时，库仑效率、脱锂容量和循环寿命上提供显着改进。

相关申请

本申请根据专利法要求提交于2014年11月25日的美国临时申请号62/084,084的优先权权益，所述申请的内容为本申请的基础并且以引用方式全部并入本文。

技术领域

实施方式总体涉及除其他外用作锂离子电池中的阳极材料的高度多孔组成物、以及生产这种组成物的方法。更具体地，实施方式涉及用以生产具有大能量存储量和延长生命周期的阳极的硅与碳材料的协同组合、结合这些材料的装置、以及生产这种材料的方法。

背景技术

锂离子电池代表可充电能量存储的重要类别，其中在放电过程中锂离子从负极移到正极。在1972年被首次提出，锂离子电池已被广泛使用于可携式消费电子产品，而且也延伸到电动车辆。锂离子电池的普及存在几个原因，包括锂离子电池的重量比大多数其他可充电电池轻以及锂离子电池具有高开路电压、低自放电率、降低的毒性及缺乏电池记忆效应的事实。

在负载下的锂电池中，储存在阳极上的锂离子从阳极通过电解质介质迁移到阴极并产生电流。在充电处理的过程中，锂离子迁移回到阳极上。目前，石墨常被用作阳极材料。虽然不一定是最佳的阳极材料，但目前石墨的高可得性和低成本使得石墨成为有吸引力的解决方案。当碳被用作阳极、并且LiCoO₂作为阴极时，将锂离子电池上的反应给定为：

将每个电极的反应给定为：

在阴极：

在阳极：

一种替代石墨作为阳极的材料是硅。Li-Si阳极体具有所有元素的最高可能比重容量之一。另外，不像基于碳的阳极系统，硅不会遭受溶剂共嵌入破坏。由于Li-Si体系的化学结构，硅表现出这些有利性质-单个硅原子能够结合3.75个锂离子，而保留单个锂离子需要6个碳原子。当硅作为阳极材料与石墨碳相比时，理论容量相差一个数量级。对于从0至3.75的x范围来说，纯硅的理论比容量为3580mAh/g，远大于石墨碳的理论容量372mAh/g。将完整的反应写为：

尽管上述性质似乎使硅成为理想的阳极材料，但硅增强锂离子相互作用的一个结果是体积膨胀增加很多(300％)。这种体积膨胀导致硅阳极结构处于高的应力水平和机械故障。此外，所述故障会发生是因为阳极由于脱离而失去与电极的接触，导致穿过电极的电流密度不均匀。这种故障意味着传统的硅阳极无法通过商业化必需的多个充/放电循环。因此，使用硅作为可行阳极材料的关键未满足需求是找到一种在结构上使硅稳定以抵抗多重体积膨胀的方法。

发明内容

本文所述实施方式是针对使用包括单一元素和多种元素的粉末和烟灰组成物利用金属热还原工艺形成新颖产物、以及形成这种产物的方法。

第一方面包括一种复合材料，复合材料包括芯部材料和涂层材料，所述涂层材料涂布所述芯部材料的外表面的至少部分，所述芯部材料包括外表面和多孔芯，其中所述芯部材料的所述多孔芯具有从约至约的平均孔径；以及具有从约10m²/g至约250m²/g的表面积的颗粒；其中所述颗粒包含约3wt％至约40wt％的SiO_x，其中x为1-2；约60wt％至约97wt％的结晶硅；其中结晶硅：SiO_x的比例为约1.5：1至约30：1。在一些实施方式中，所述芯部材料进一步包含大于0wt％至约25wt％的结晶Mg₂SiO₄、大于0wt％至约5wt％的MgO、或大于0wt％至约10wt％的MgO。