[发明专利]蛋黄-壳结构的粒子、其制备方法和包含其的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种具有蛋黄‑壳结构的粒子和其制备方法，所述具有蛋黄‑壳结构的粒子包含：碳壳；和硅(Si)核，所述硅(Si)核被设置在碳壳的内部，其中所述壳的至少一部分与所述核间隔开，并且所述具有蛋黄‑壳结构的粒子具有0.15cm³/g以下的微孔体积。

技术领域

本申请要求2017年9月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2017-0127292号以及2017年9月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2017-0127273号的优先权和权益，其全部内容通过引用被并入本文中。

本发明涉及具有蛋黄-壳结构的粒子、其制备方法和包含其的锂二次电池。

背景技术

最近，对储能技术的兴趣正在日益增长。随着应用已经扩展到移动电话、便携式摄像机和笔记本电脑的能源，而且扩展到电动车辆的能源，在电化学装置的研究和开发上的努力已经越来越具体化。

电化学装置是这些方面中受到最多关注的领域，其中，能够充电和放电的二次电池的开发已经成为关注的焦点，并且开发这样的电池已经进展为对用于提高容量密度和比能量的新电极和电池的设计进行研究和开发。

在目前使用的二次电池中，二十世纪九十年代早期开发的锂二次电池已经受到了关注，与使用水溶液液体电解质的传统电池如Ni-MH、Ni-Cd和硫酸-铅电池相比，所述锂二次电池的优点在于具有高的工作电压和显著较高的能量密度。

其中，用作现有锂离子电池负极材料的石墨的容量(在25℃下为372mAh/g)达到了极限，因此，已经出现了对与石墨相比具有较高理论容量的硅(在25℃下为3580mAh/g)的开发的需要。

这样的硅具有低导电性，并且由于在与锂充电和放电时发生合金化反应而使其体积膨胀约300％。当发生这种连续的体积膨胀时，连续产生了电解质与电极之间的界面处不可避免地产生的SEI层，造成对电池的长寿命性能致命的问题。

此外，在商业化阶段，与石墨相比，这样的硅的问题在于具有低的第一循环库仑效率(C：约90％，Si：约60％)，并且因为当用在实际电池中时性能差，所以需要改进。

鉴于上述情况，现有技术如“J.Phys.Chem.C 2015,119,10255”已经使用具有2nm至3nm的中孔的具有蛋黄-壳结构的硅-碳复合材料作为锂二次电池的负极材料，然而，因为当用在实际电池中时性能差，所以需要改进。

(非专利文献1)“Elucidating Relationships between Structural Propertiesof Nanoporous Carbonaceous Shells and Electrochemical Performances of Si@Carbon Anodes for Lithium-Ion Batteries(阐明纳米多孔碳质壳的结构性质与锂离子电池用Si@碳负极的电化学性能之间的关系)”，Jihoon Ahn，Kyung Jae Lee，WoojeongBak，Jung-Joon Kim，Jin-Kyu Lee，Won Cheol Yoo和Yung-Eun Sung，“J.Phys.Chem.C，2015,119(19),pp 10255-10265”

发明内容

技术问题

在现有技术中，被包含在负极材料中的碳复合结构中的碳壳由具有中孔的碳形成，并且电解质容易穿过中孔渗透，在负极材料的壳的内部的硅(Si)粒子表面上引起副反应，这导致初始效率和库仑效率下降。

作为鉴于上述内容而广泛研究的结果，本发明的发明人已经确认，通过减小碳壳表面上的孔尺寸，部分腐蚀粒子内部的二氧化硅，然后将所得物镁热还原，可以开发一种具有蛋黄-壳结构的硅负极材料，所述具有蛋黄-壳结构的硅负极材料在具有体积膨胀缓冲结构且具有电解质渗透降低效果的同时具有提高的初始效率和优异的倍率限制(rate-limiting)性能。