[发明专利]硅类复合材料、包含其的负极和锂二次电池

说明书

本发明提供了一种硅类复合材料，所述硅类复合材料包含：硅类粒子；和选自如下中的一种或多种掺杂金属：Mg、Ca、Al、Na和Ti，其中，在所述硅类粒子中，存在从粒子中心朝向粒子表面的掺杂金属浓度梯度。

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月23日提交的韩国专利申请10-2018-0098722号和2018年8月23日提交的韩国专利申请10-2018-0098723号的优先权和权益，其公开内容通过引用被整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种硅类复合材料、包括所述硅类复合材料的负极和锂二次电池，更特别地，本发明涉及一种包含具有金属元素浓度梯度的硅类粒子的硅类复合材料、包含所述硅类复合材料作为负极活性材料的负极和锂二次电池。

背景技术

随着移动装置的技术的发展和对移动装置的需求的增加，对作为电源的二次电池的需求正在急剧增加，并且在二次电池中，具有高能量密度、高工作电位、长循环寿命和低自放电率的锂二次电池已经被商业化并被广泛使用。

锂二次电池是通常由包含正极活性材料的正极、包含负极活性材料的负极、隔膜和电解质构成的二次电池，并且所述二次电池通过锂离子的嵌入和脱嵌来进行充电和放电。因为具有诸如高能量密度、大电动势和表现出高容量的能力的有利特征，所以已经将锂二次电池应用于各种领域。

另一方面，作为构成锂二次电池正极的正极活性材料，已经使用了金属氧化物，如LiCoO₂、LiMnO₂、LiMn₂O₄或LiCrO₂，并且作为构成负极的负极活性材料，已经使用了诸如金属锂、碳类材料(例如石墨、活性炭等)、硅氧化物(SiO_x)等的材料。在负极活性材料中，最初主要使用金属锂，但是因为随着充电-放电循环的进行发生了锂原子在金属锂表面上生长、损坏隔膜并因此损坏电池的现象，所以最近主要使用碳类材料。然而，碳类材料的缺点在于小的容量，其理论容量仅为约400mAh/g。

因此，已经进行了各种研究，以用具有高理论容量(4200mAh/g)的硅(Si)材料代替这种碳类材料作为负极活性材料。在锂被嵌入硅中的情况下的反应式如下：

[反应式1]

22Li+5Si＝Li₂₂Si₅

然而，大多数硅负极材料的缺点在于，由于锂的嵌入而使硅体积膨胀高达300％，从而导致负极被破坏并且没有表现出优异的循环特性。

另一方面，与硅(Si)相比，硅氧化物具有寿命性能优异并且在充电和放电期间体积膨胀相对小的优点，但是具有初始效率低的缺点。因此，为了提高初始效率，已经开发了将金属元素掺杂到硅氧化物中的材料。

然而，存在如下趋势：随着掺杂金属元素的量的增加，则效率增加，但容量减小。另外，尽管与硅氧化物(SiO)相比，将金属元素掺杂到硅氧化物中的材料在充电和放电期间经历相对小的体积变化，但是仍然需要采取措施来改善由体积变化如粉碎、通过与导电材料和集电器接触而导致的接触损耗以及不稳定的固体-电解液中间相(SEI)的形成而引起的衰退机制。

[相关技术]

[专利文献]

日本专利公布2016-009644A号

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种硅类复合材料，当使用所述硅类复合材料作为负极活性材料时，所述硅类复合材料在锂离子嵌入时经历减小的体积膨胀，从而使得锂二次电池的性能得到进一步改善。