[发明专利]具有碳涂覆宏观孔的硅的阳极的电池

说明书

本文公开了适合用作阳极材料的硅材料及其相关的生产方法。在一实施例中，硅材料包括基质中的晶体硅和分布在晶体硅的基质中的宏观孔。宏观孔可以具有大于100纳米的尺寸，并且宏观孔的晶体硅的表面涂覆有碳。

相关申请的交叉引用

本申请是2017年9月7日提交的美国临时申请号62/555,580的延续，并要求其优先权。

背景技术

锂离子电池是一种锂离子在放电时从负极移动到正极，并在充电时从负极移动到正极的电池。锂离子电池可包括电解液，该电解液与作为阴极的嵌入锂化合物和碳基阳极接触以形成电池单元。锂离子电池具有高的能量重量比，低记忆效应或无记忆效应，以及不使用时具有很长的电荷保持能力。除了在消费类电子产品中的应用外，锂离子电池还广泛用于国防，汽车和航空航天领域。这样的新应用对提高锂离子电池的能量密度提出了持续的需求。

发明内容

本发明内容用来以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

某些锂离子电池使用诸如石墨之类的碳基材料作为阳极。但是，这样的碳基材料可能会限制锂离子电池的充电容量。例如，碳基阳极的锂化可产生约372mA·h/g的充电容量，而硅(Si)基阳极的锂化可产生约4,200mA·h/g的充电容量。但是，硅基阳极的锂化可能涉及约300％的体积变化。因此，在几个充电-放电循环之后，块状硅基阳极将被粉碎。硅基阳极还可与锂电池中的电解质形成不稳定的固体电解质中间相层。因此，硅的较差的机械稳定性和化学钝化性能会导致硅电极不适合实际的电池系统。

所公开技术的几个实施例涉及具有阳极的电池系统，该阳极包含碳涂覆的宏观孔硅材料。碳涂覆的宏观孔硅材料可以包括具有宏观孔的晶体硅的颗粒，宏观孔的尺寸分别约大于100nm。晶体硅的内表面和外表面都可以，至少部分地，涂覆有无定形态，半晶体态或晶体态或其混合态的碳。实验表明，具有由如碳涂覆的宏观孔硅材料为示例构成的阳极的电池表现出高的电容量和可循环性。因此，本文公开的硅材料适用于电池应用。

根据所公开技术的实施方式，可以使用CO₂-热氧化工艺(CO-OP)来制备碳涂覆的宏观孔硅材料。在某些实施方式中，CO₂-热氧化工艺可包括硅与金属或金属混合物之间形成金属硅化物的初始固态反应。合适的金属的实例可以包括镁(Mg)、钙(Ca)和钡(Ba)。以镁为例的固态反应可以表示如下：

2Mg+Si→Mg₂Si

在其他实例中，在固态反应中还可以使用前述金属中的至少两种的混合物(例如，镁和钙)。因此，形成的金属硅化物可以是二元、三元、四元或其他合适数量级的金属体系。

在固态反应完成之后，CO₂-热氧化工艺可以包括热反应，其中使用二氧化碳(CO₂)氧化所制备的金属硅化物，以形成晶体硅颗粒，该晶体硅颗粒涂覆有碳且在单反应中具有多个(例如，数百个)纳米尺寸的金属氧化物结构。用于执行热反应的一种示例技术可以包括：在合适的温度(例如700℃)下，在CO₂环境中，对金属硅化物进行退火或以其他方式处理。在这种条件下，金属硅化物(例如Mg₂Si)可以与CO₂反应，从而在单反应中形成金属氧化物、硅和碳，例如，如下所示：

Mg₂Si+CO₂→Si+C+2MgO