[发明专利]用于金属离子电池的电活性材料

说明书

本发明涉及颗粒电活性材料，该颗粒电活性材料由多个复合粒子组成，其中所述复合粒子包含分散在导电碳基体内的多个硅纳米粒子。颗粒材料包含40至65重量％的硅、至少6重量％并且小于20％的氧，并且氧和氮的总量与硅的重量比在0.1至0.45的范围内并且碳与硅的重量比在0.1至1的范围内。所述颗粒电活性材料可用作金属离子电池中的阳极的活性组分。

本发明总体上涉及用于可再充电金属离子电池的电极的电活性材料，并且更具体涉及具有高电化学容量的电活性材料，其适于用作可再充电金属离子电池中的阳极活性材料。本发明的颗粒电活性材料在包含两种以上的不同电活性材料的混合阳极中具有特别的实用性。还提供了用于制备本发明的颗粒电活性材料的方法。

可再充电金属离子电池广泛地用于便携式电子设备如移动电话和笔记本电脑，并且正越来越多地应用于电动车辆或混合动力车辆。可再充电金属离子电池通常包括阳极层，阴极层，在阳极层和阴极层之间传输金属离子的电解质，以及设置在阳极和阴极之间的电绝缘多孔隔膜。阴极一般包括设置有含金属离子的金属氧化物系复合材料的层的金属集流体，而阳极一般包括设置有电活性材料的层的金属集流体，所述电活性材料在本文中被定义为在电池的充电和放电期间能够嵌入和释放金属离子的材料。为了避免疑问，在本文中使用的术语“阴极”和“阳极”以这样的含义使用：电池跨过负载放置，以使得阴极是正极并且阳极是负极。当金属离子电池充电时，金属离子从含金属离子的阴极层经由电解质输送至阳极并且嵌入阳极材料中。在本文中使用术语“电池”不仅是指包含单个阳极和单个阴极的装置，而且还指包含多个阳极和/或多个阴极的装置。

对提高可再充电金属离子电池的重量和/或体积容量存在关注。当与其他电池技术进行比较时，锂离子电池的使用已经提供了大量改善，但是仍存在进一步发展的余地。截止目前，商业锂离子电池大大地局限于使用石墨作为阳极活性材料。当对石墨阳极进行充电时，锂嵌入到石墨层之间以形成具有经验式Li_xC6(其中x大于0并且小于或等于1)的材料。因此，在锂离子电池中石墨具有372mAh/g的最大理论容量，实际容量稍微更低(约340至360mAh/g)。其他材料，如硅、锡和锗，能够以比石墨显著更高的容量嵌入锂，但是由于难以随着众多次充电/放电循环保持足够的容量而没有得到广泛的商业使用。

特别地，由于其对于锂的非常高的容量，硅已被认定为是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一种有前景的替代方案(参见，例如InsertionElectrode Materials for Rechargeable LithiumBatteries(用于可再充电锂电池的嵌入电极材料)，Winter，M.等，于Adv.Mater.1998，10，No.10)。在室温，硅在锂离子电池中具有约3,600mAh/g的理论最大比容量(基于Li₁₅Si₄)。然而，使用硅作为阳极材料由于在充电和放电时的大的体积变化而复杂化。

锂向体相(bulk)硅中的嵌入导致硅材料的体积大幅增加(当硅锂化至其最大容量时高达其初始体积的400％)，并且重复的充电-放电循环在硅材料中造成显著的机械应变，从而导致硅阳极材料的破裂和脱层。脱锂时硅粒子的体积收缩可以导致阳极材料和集流体之间的电接触的损失。此外，在硅表面上形成的固体电解质界面(SEI)层不具有足够的机械容限来适应硅的膨胀和收缩。因此，新暴露的硅表面导致进一步的电解质分解以及SEI层的厚度增加和不可逆的锂损耗。这些失效机制共同导致在连续的充电和放电循环中电化学容量的不可接受的损失。

已经提出了多种方法来克服与在对含硅阳极进行充电时观察到的与体积变化相关的问题。解决含硅阳极的不可逆的容量损失的最广泛方法是使用纳米结构的硅粒子作为电活性材料。据报道，当与微米尺寸粒子相比时，硅纳米粒子和纳米结构硅更能承受充电和放电时的体积变化。然而，纳米尺寸粒子不特别适用于商业规模应用，因为它们难以制备和处理。例如，纳米尺寸粒子倾向于形成团聚体，使得难以获得粒子在阳极材料基体内的有益分散。此外，纳米尺寸粒子的团聚体的形成导致在重复充电-放电循环时的不可接受的容量损失。