[发明专利]形成预锂化硅合金电活性材料的方法

说明书

本发明公开了形成预锂化硅合金电活性材料的方法。提供了制备用于循环锂离子的电化学电池的负极材料的方法，该方法包括通过使包含硅和锂的熔融前体与离心雾化反应器中的旋转表面接触来离心分布所述熔融前体。使所述熔融前体凝固以形成多个基本圆形的固体电活性粒子，所述固体电活性粒子包含锂和硅的合金并具有小于或等于大约20微米的D₅₀直径。在某些变体中，该负极电活性材料粒子可以进一步具有设置于其上的一个或多个涂层，如碳质涂层和/或氧化物基涂层。

技术领域

本公开涉及形成用于锂离子电化学电池的负极的预锂化电活性材料的方法以及由此获得的用于锂离子电化学电池的负极的预锂化电活性材料。

背景技术

本章节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

本公开涉及形成用于锂离子电化学电池的负极的预锂化电活性材料的方法。该方法包括在离心雾化反应器中离心分布包含硅和锂的熔融前体。该负极电活性材料可以进一步具有一个或多个设置在其上的涂层，如碳质涂层和/或氧化物基涂层。

高能量密度电化学电池（如锂离子电池组）可用于多种消费产品和车辆，如混合动力电动车（HEV）和电动车（EV）。典型的液态或半固态锂离子和锂硫电池组包括第一电极（例如阴极）、第二电极（例如阳极）、电解质材料和隔离件组件。固态锂基电池组也包括第一电极（例如阴极）、第二电极（例如阳极）和固态电解质材料。固态电解质同时充当锂离子的导体和隔离件，由此不需要单独的隔离件组件。通常将电池组电池的堆栈电连接以增加整体输出。常规的锂离子电池组通过在负极与正极之间可逆地传递锂离子来运行。电解质适于传导锂离子，并可以为固体或液体形式。在电池组充电过程中，锂离子从阴极（正极）向阳极（负极）移动，当电池组放电时以相反的方向移动。

使阳极材料和阴极材料与电解质接触可以在电极之间产生电势。当在电极之间的外部电路中生成电流时，电势通过电池组的电池内部的电化学反应来维持。堆栈中的负极和正极各自连接至集流体（通常为金属，例如对于阳极为铜，对于阴极为铝）。在电池组使用过程中，与两个电极关联的集流体通过外部电路连接，该外部电路允许由电子生成的电流在电极之间通过以补偿锂离子的传输。

用于形成阳极的典型的电化学活性材料包括锂-石墨插层化合物、锂-硅合金化化合物、锂-锡合金化化合物、和锂合金。虽然石墨化合物是最常见的，但近来，具有高比容量（与常规石墨相比）的阳极材料越来越受到关注。例如，硅对于锂具有最高的已知理论充电容量，使其成为用于可再充电锂离子电池组的最有前途的材料之一。但是，目前包含硅的阳极材料可能潜在地受制于明显的缺陷。

例如，在初始锂化和脱锂循环过程中，硅基电活性材料可能发生过度的体积膨胀和收缩。此外，对于硅电活性材料观察到在连续的充电和放电循环过程中可能发生附加的体积变化。这样的体积变化可能导致电活性材料的疲劳开裂和爆裂。这可能潜在地导致含硅电活性材料与电池组电池的剩余部分之间失去电接触，以及电解质的消耗以形成新的固态电解质界面（SEI），导致电化学循环性能下降、库仑电荷容量保持率降低（容量衰减）和受限的循环寿命。这在含硅电极在高能量锂离子电池组（如运输应用中使用的那些）中的应用所需的电极负载水平方面尤其如此。

因此，合意的是开发制备在锂离子循环过程中发生明显的体积变化的包含硅的电活性材料或其它电活性材料的方法，所述电活性材料能够在长寿命的商用锂离子电池组（尤其是用于运输应用）中尽量减少容量衰减并尽量提高充电容量。

发明内容

本章节提供了本公开的总体概述，而非其全部范围或其全部特征的全面公开。

本公开涉及制备用于循环锂离子的电化学电池的负极材料的方法，该方法包括通过使包含硅和锂的熔融前体与离心雾化反应器中的旋转表面接触来离心分布所述熔融前体。该方法还包括使所述熔融前体凝固以形成多个基本圆形的固体电活性粒子，所述固体电活性粒子包含锂和硅的合金。所述多个基本圆形的固体电活性粒子具有小于或等于大约20微米的D₅₀直径。