[发明专利]用于蓄电池负电极中的复合粉末以及包括此类复合粉末的蓄电池

说明书

本发明公开了一种用于蓄电池负电极中的复合粉末，其中复合粉末包括复合颗粒，其中复合颗粒包括基质材料和硅，其中复合颗粒的粒度分布为d10和d90，其中在d10至d90的粒度范围的至少一部分内，复合颗粒具有粒度依赖性硅含量。优选地，复合粉末的较细级分具有平均粒度D1和硅含量S1，并且复合粉末的较粗级分具有平均粒度D2和硅含量S2，其中粒度依赖性因子F被定义如下F＝(S2‑S1)/(D2‑D1)，其中粒度依赖性因子F的绝对值为至少0.04重量％硅/μm。

技术领域

本发明涉及用于蓄电池负电极中的复合粉末以及包括此类复合粉末的蓄电池。

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。此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离子蓄电池通常包含多个所谓的Li离子电池，这些电池又包含正电极(也称为阴极)、负电极(也称为阳极)和浸入电解质中的隔板。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，影响蓄电池性能并且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，为了提高能量密度，过去几年已经研究了使用硅的电化学活性材料。

在阳极中使用硅基电化学活性材料的缺点是它在充电期间的大的体积膨胀，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，该体积膨胀高达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寿命降低至无法接受的水平。

为了适应体积变化，通常使用复合颗粒。在这些复合颗粒中，硅颗粒与基质材料(通常为碳基材料)混合。

另外，与硅相关联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。

原则上，SEI形成是自我终止的过程，一旦在硅表面上形成“钝化层”就停止。然而，由于硅的体积膨胀，硅和SEI可能在充电(锂化)和放电(脱锂化)期间被损坏，从而释放新的硅表面并导致开始形成新的SEI。

在本领域中，上述锂化/脱锂化机理通常通过所谓的库仑效率量化，所述库仑效率被定义为在放电期间从蓄电池去除的能量相比于在充电期间使用的能量之间的比率(对于充电-放电循环，以％计)。因此，大多数基于硅的阳极材料的工作集中于提高所述库仑效率。

与100％库仑效率的偏差在多次循环中的累积决定了蓄电池的使用寿命。因此，简而言之，库仑效率为99.9％的阳极是库仑效率为99.8％的阳极的两倍。

发明内容

本发明涉及用于蓄电池负电极中的复合粉末，其中复合粉末包括复合颗粒，其中复合颗粒包括基质材料和硅，其中复合颗粒的粒度分布为d10和d90，其中在d10至d90的粒度范围的至少一部分内，复合颗粒具有粒度依赖性硅含量。

这可以是任何类型的粒度分布，例如基于体积、基于数量或基于重量的粒度分布，但优选地为基于体积的粒度分布，并且优选地通过激光衍射测量。在没有进一步解释的情况下，技术人员将理解，这样的粒度分布将自然地也具有d50。

据发现，与传统粉末相比，这样的复合粉末在蓄电池中提供优异的性能，尤其是在库仑效率方面，在传统粉末中复合颗粒包含相同的硅含量，而与它们的粒度无关。