[发明专利]金属离子电池的电极

说明书

提供了一种用于金属离子电池的电极，其中电极的活性层包括多个多孔微粒和多个碳微粒，所述多孔微粒包含选自硅、锗、锡、铝及其混合物的电活性材料，所述碳微粒选自石墨、软碳和硬碳中的一种或多种。碳微粒的微粒尺寸D₅₀与多孔微粒的D₅₀微粒直径的比率在1.5至30的范围内。还提供了包括所述电极和可用于制备所述电极的活性层的多孔微粒和碳微粒的组合物的可再充电金属离子电池。

技术领域

本发明总体上涉及用于金属离子电池的电极组合物，更具体地涉及包含碳微粒和至少一种其它微粒状电活性材料的混合电极组合物。还提供了包括电极组合物的电极，包括电极的金属离子电池和制造电极的方法。

背景技术

可充电金属离子电池广泛用于便携式电子设备(例如移动电话)和膝上型计算机，并且在电动或混合动力车辆中越来越多地应用。可再充电金属离子电池通常包括阳极层、阴极层、用于在阳极和阴极层之间输送金属离子的电解质以及设置在阳极和阴极之间的电绝缘多孔隔离物。阴极通常包括配备有包含金属离子的金属氧化物基复合物层的金属集电器，并且阳极通常包括配备有电活性材料层的金属集电器，所述电活性材料在本文中被定义为能够在电池充电和放电期间插入和释放金属离子的材料。

为了避免疑问，在以下的意义上使用在本文中使用术语“阴极”和“阳极”：电池被放置在负载两端，使得阴极是正电极，而阳极是负电极。当金属离子电池被充电时，金属离子从含金属离子的阴极层经由电解质输送到阳极并插入到阳极材料中。术语“电池”在本文中用于指包含单个阳极和单个阴极的器件以及包含多个阳极和/或多个阴极的器件。

致力于提高可再充电金属离子电池的重量和/或体积容量。与其他电池技术相比，使用锂离子电池已经提供了相当大的提高，但仍有进一步发展的余地。迄今为止，商业金属离子电池已经大大地受限于使用石墨作为阳极活性材料。当石墨阳极被充电时，锂插入石墨层之间以形成实验公式为Li_xC₆的材料(其中x大于0且小于或等于1)。因此，石墨在锂离子电池中的最大理论容量为372mAh/g，实际容量略低(约320至360mAh/g)。诸如硅、锡和锗的其它材料能够以比石墨显著更高的容量插入锂，但由于难以在多个充电/放电循环上保持足够的容量，所以仍然没有广泛的商业用途。

特别是硅作为用于制造具有高重量和体积容量的可再充电金属离子电池的石墨的潜在替代品，由于其非常高的锂容量(例如，见Insertion Electrode Materials forRechargeable Lithium Batteries，Winter，M.et al.in Adv.Mater.1998，10，No.10)而正在日益吸引关注。在室温下，硅在锂离子电池中的理论容量约为3600mAh/g(基于Li₁₅Si₄)。然而，作为电活性材料的使用由于充放电时体积变化很大而变得复杂。当硅被锂化到其最大容量时，将锂插入体硅(或硅的合金化)导致硅材料体积的大的增加，高达其原始体积的400％，并且重复的充放电循环引起显著的硅材料中的机械应变，导致硅阳极材料的压裂和分层。阳极材料和集电器之间的电接触损耗导致随后的充放电循环中容量的显著损耗。

使用锗作为电活性材料与类似的问题相关联。锗在锂离子电池中的最大理论容量为1625mAh/g。然而，当锗被锂化到其最大容量时，将锂插入体锗导致高达370％的体积变化。与硅一样，锗材料上的机械应变导致阳极材料的压裂和分层并导致容量的损耗。

锡和铝是电活性材料的另外示例，其能够插入具有比石墨显著更高的体积和重量比容量的金属离子，但是其也与由多次充电和放电循环上的电活性材料的膨胀和收缩引起的容量损耗相关联。