[发明专利]用在锂离子蓄电池阳极中的复合粉末、制备这种复合粉末的方法及分析这种复合粉末的方法

说明书

本发明涉及一种在锂离子蓄电池的阳极中使用的复合粉末，其中所述复合粉末的颗粒包括基质中的硅基域，其中所述单个硅基域是未嵌入或未完全嵌入所述基质中的游离硅基域，或者是完全由所述基质包围的完全嵌入的硅基域，其中所述复合粉末中所述游离硅基域的百分比低于或等于金属形式或氧化态Si总量的4重量％。

本发明涉及一种用于锂离子蓄电池的阳极中的复合粉末、一种制备这种复合粉末的方法以及一种用于分析这种复合粉末的方法。

背景技术

锂离子(Li离子)蓄电池是当前性能最佳的蓄电池并且已经成为便携式电子设备的标准。此外，这些蓄电池已经渗透到其他行业如汽车和电存储行业并得以快速发展。这类蓄电池的有利优势为高能量密度结合良好的动力性能。

Li离子蓄电池通常包括多个所谓的Li离子电池，这些电池又包括正电极(阴极)、负电极(阳极)和浸没在电解质中的隔板。使用电化学活性材料如锂钴氧化物或锂钴镍锰氧化物作为阴极并使用天然或人造石墨作为阳极，开发了便携式应用最常用的Li离子电池。

已知，影响蓄电池性能尤其是蓄电池能量密度的重要限制性因素之一是阳极中的活性材料。因此，为提高能量密度，在近数十年间研究并开发了新型的基于例如锡、铝和硅的电化学活性材料，这些发展主要是基于在使用期间在将Li掺入其中的过程中所述活性材料与Li形成合金这一原理。

最佳候选材料似乎是硅，因为它可以达到4200mAh/g(重量)或2200mAh/cm³(体积)的理论容量，并且这些容量远大于石墨的理论容量(372mAh/g)以及其他候选材料的理论容量。

需注意，在本文中，硅是指零价态的元素Si。术语Si用于指示元素Si，不论其氧化态、零价态或氧化形式。

然而，在阳极中使用硅基电化学活性材料的一个缺点是它在充电期间发大的体积膨胀，当锂离子(例如通过合金化或插入)完全掺入阳极的活性材料中(这一过程通常被称为锂化)时，体积膨胀高达300％。在Li掺入期间硅基材料的大的体积膨胀可引起硅中的应力，继而可导致硅材料的机械降解。

在周期性重复Li离子蓄电池的充电和放电过程中，硅电化学活性材料的重复机械降解可能使蓄电池的使用寿命降低至无法接受的水平。

为了尝试缓解硅体积变化造成的不利影响，许多调查研究表明，通过将硅材料的尺寸减小至亚微米级或纳米级Si域(平均粒度通常小于500nm并优选地小于150nm)，并使用这些材料作为电化学活性材料可能证明是一种可行的解决方案。

为了适应这种体积变化，这些硅域通常用作复合颗粒，在这些颗粒中硅域与基质材料(通常为碳基材料，但也可能为Si基合金或SiO₂)混合。

另外，硅的负面效应是可能在阳极上形成厚SEI(固体电解质界面)。SEI是电解质和锂的一种复杂的反应产物，并因此致使可参与电化学反应的锂的损失，进而导致较差的循环性能，即每次充电-放电循环的容量损失。厚SEI可进一步增大蓄电池的电阻，从而限制可达到的充电和放电速率。

从US 6589696和US 2006/0134516可知，在理论上活性阳极材料与电解质之间的反应可通过在阳极材料的活性颗粒上涂覆涂料来避免。

事实上，在这些文献中通过下列方式尝试了这种方法：将阳极材料颗粒与聚乙烯醇(PVA)溶液混合，蒸发掉溶剂并高温分解所得产物以将PVA分解成碳。

但是，这样最多只能得到部分且有缺陷的涂层，为防止电解质接触阳极材料提供很少的防护。

这种情况的原因可能与下面一个或多个因素有关：

·PVA的量太少，不能形成完整的涂层。

·在所公开的方法中，很大部分的PVA将落在距活性阳极材料一段距离处，不能用来形成涂层。