[發明專利]低能研磨方法、低結晶度合金和負極組合物

有效

• 申請號: 201080030255.2
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN102458720A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 黎丁巴;馬克·N·奧布羅瓦茨;羅伯特·Y·庫貝;詹姆斯·R·蘭代茨
• 申請（專利權）人: 3M創新有限公司
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F9/04;B02C17/00;C01B33/00;H01M4/38
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 張爽;樊衛民

關于聯邦資助研究或開發的聲明

本發明是利用能源部授予的合同號DE-EE0000650下的政府支持作出的。政府擁有本發明的某些權利。

技術領域

本發明廣義地涉及粉末研磨技術，由此形成的合金，以及這種合金作為鋰離子電池的電極組合物的用途。

背景技術

礫磨機是以在水平軸上旋轉的圓柱形或錐形容器為特征的一類球磨機。礫磨機可具有鋼內壁，但通常襯有陶瓷、橡膠、塑料或其他材料。礫磨機與通常為鋼或陶瓷的研磨介質結合使用，盡管可使用其他研磨介質。

礫磨機可為圓柱形罐的形式，裝料是從該罐的一端上的可密封口進行。在研磨過程中，通常將較小的礫磨機置于用動力推動的輥組上。較大的礫磨機通常由圓柱形容器組成，所述圓柱形容器沿其縱向軸線水平安裝在銷上，并通過軸、齒輪或運動帶驅動。這種礫磨機常常還包括包封所述研磨容器的固定覆蓋物。該覆蓋物使得可以在容器旋轉的同時進行磨機的卸料。礫磨機容器有時具有雙壁以使得可以對研磨容器進行水冷卻、具有提升器以防止容器內壁上的介質的滑動和/或具有口以使得可以在操作過程中進行氣體吹掃。

礫磨機常用于將粉末磨削至細小粒度，或將粉末或顏料分散在溶劑中。在常規干磨削操作中，通常用研磨介質和待磨削的粉末(通常稱為研磨基料(millbase))的混合物將礫磨機填充至其體積的一半。研磨介質通常為三類：球形、圓柱形或不規則。在球形研磨介質的情況中，研磨介質與研磨基料的體積比通常為30∶20。設定容器的旋轉速度使得容器內的介質形成連續瀉流(cascade)，瀉流角相對于水平面在45-60°范圍內。這些條件被廣泛使用，因為它們對于粉末的有效研磨是最佳的。在更高旋轉速度下，介質趨于在容器內射向空中，從而形成奔流(cataract)。在甚至更高的旋轉速度下，介質可因離心力而變得壓在容器的側面。介質變得壓在容器側面時的理論旋轉速度(單位為轉/分鐘(rpm))稱為磨機的臨界速度，由下式給出：

rpm_臨界＝54.2/R^0.5

其中R為研磨容器的內徑(單位英尺)。

發明內容

在一方面，本發明提供一種制備納米結構化的合金粒子的方法，所述方法包括：將研磨基料在含有研磨介質的礫磨機中進行研磨以提供納米結構化的合金粒子，其中所述研磨基料包含：(i)硅，和(ii)碳或過渡金屬中的至少一者，且其中所述納米結構化的合金粒子基本上不含尺寸大于50納米的晶疇。

在另一方面，本發明提供一種制備用于鋰離子電池的負極組合物的方法，所述方法包括：

(a)通過包括將研磨基料在含有研磨介質的礫磨機中進行研磨的方法來制備納米結構化的合金粒子，所述研磨基料包含：

(i)硅；和

(ii)碳或過渡金屬中的至少一者，其中所述納米結構化的合金粒子基本上不含尺寸大于50納米的晶疇；以及

(b)將所述納米結構化的合金粒子分散于聚合物粘合劑中以提供負極組合物。

在一些實施例中，研磨介質與研磨基料的體積比大于1.5∶1。在一些實施例中，研磨介質與研磨基料的體積比大于5∶1。在一些實施例中，納米結構化的合金粒子為無定形的。在一些實施例中，礫磨機與組合的研磨介質和研磨基料的體積比為2∶1或更小。在一些實施例中，礫磨機具有理論臨界速度，且其中礫磨機具有在理論臨界速度的50％至120％范圍內的旋轉速度。在一些實施例中，礫磨機具有在0.01至0.3焦耳范圍內的最大沖擊能。在一些實施例中，礫磨機具有帶有溫度的安全殼壁(containment?wall)，其中所述溫度保持在100攝氏度或100攝氏度以下。在一些實施例中，礫磨機具有鋼內壁。在一些實施例中，礫磨機具有陶瓷的或內襯陶瓷的安全殼壁。

在一些實施例中，納米結構化的合金粒子包含硅、錫和過渡金屬。在一些實施例中，研磨基料包含硅鐵。在一些實施例中，(ii)包含碳。在一些實施例中，礫磨機還含有研磨助劑，所述研磨助劑包含飽和高級脂肪酸或其鹽。在一些實施例中，研磨助劑包含硬脂酸。在一些實施例中，納米結構化的合金粒子適合于用作鋰離子電池中的負極組合物的活性材料。在一些實施例中，納米結構化的合金粒子包含至少10、20、30、40、50、60或甚至70重量％的硅或更多。

有利地，本申請人已發現根據本發明的研磨方法能制得基本上不含尺寸超過50納米的晶區的納米結構化的合金粒子。例如，納米結構化的合金粒子可具有小于1重量％、小于0.5重量％或甚至小于0.1重量％的尺寸超過50納米的晶區。