[發(fā)明專利]具有均勻的金屬-半導(dǎo)體合金層的陽極材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110462713.6
• 申請(qǐng)日: 2009-04-17
• 公開（公告）號(hào): CN102569758A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·拉瑪瑟伯拉曼尼;R·M·斯波特尼茲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 易諾維公司
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 項(xiàng)丹

本發(fā)明專利申請(qǐng)是國際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2009/041012，國際申請(qǐng)日為2009年4月17日，進(jìn)入中國國家階段的申請(qǐng)?zhí)枮?00980113838.9，發(fā)明名稱為“具有均勻的金屬-半導(dǎo)體合金層的陽極材料”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有均勻的金屬-半導(dǎo)體合金層的陽極材料，以及該陽極材料的制備方法。所述陽極材料可以用于非水性電解質(zhì)二次電池。

背景技術(shù)

非水性電解質(zhì)二次電池是一種可再充電的電池，其中離子通過非水性電解質(zhì)在陽極和陰極之間移動(dòng)。非水性電解質(zhì)二次電池包括鋰離子電池、鈉離子電池和鉀離子電池，以及其它種類的電池。

鋰離子電池是一種普通種類的非水性電解質(zhì)二次電池，其中鋰離子通過電解質(zhì)在陽極和陰極之間移動(dòng)。鋰離子電池的益處和難題是其它的非水性電解質(zhì)二次電池的益處和難題的示例；以下實(shí)施例示例性地涉及鋰離子電池，但是不限于此。在鋰離子電池中，在放電過程中，鋰離子從陽極移動(dòng)到陰極，在充電時(shí)，鋰離子從陰極移動(dòng)到陽極。由于鋰離子電池具有高能量密度，高功率以及長儲(chǔ)藏壽命，因此是人們非常需要的能源。鋰離子電池常用于消費(fèi)用的電子裝置中，由于其具有高能量-重量比，無記憶效應(yīng)，以及在不使用的情況下充電損失緩慢，因此它們是目前最普遍用于便攜式電子裝置的電池種類之一。由于這些優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池日益廣泛地用于各種應(yīng)用，包括汽車，軍用，以及航天應(yīng)用。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的鋰離子電池的截面圖。所述電池15具有陰極集電器10，在其上裝有陰極11。所述陰極集電器10上覆蓋著隔離片12，在隔離片上設(shè)置有陽極集電器13和陽極14的組合件。所述隔離片12中填充了電解質(zhì)，所述電解質(zhì)能夠在陽極和陰極之間傳輸離子。所述集電器10，13用來收集電池15產(chǎn)生的電能，將其與外界裝置相連，這樣外界裝置能夠獲得電能，以及在再充電過程中將電能傳輸給電池。

非水性電解質(zhì)二次電池的陽極可以由復(fù)合的或整體型的陽極材料制成。在復(fù)合陽極中，實(shí)際上用粘合劑將顆粒狀陽極材料結(jié)合在一起，形成顆粒和粘合劑的基質(zhì)。例如，可以用聚合物粘合劑將碳顆粒結(jié)合在一起，從而制成陽極。整體型陽極是并非通過加入物理粘合劑材料制造的陽極。例如，可以使用任意制造硅陽極的方法，其中在不使用外加粘合劑的情況下，將硅分子互相連接，形成整體型膜。整體型陽極材料的例子包括單晶硅，多晶硅和無定形硅。也可以通過對(duì)陽極材料的顆粒進(jìn)行熔融或燒結(jié)，或者通過真空沉積和化學(xué)沉積，形成整體型陽極。

在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的過程中，鋰離開陰極，以鋰離子的形式通過隔離片中的電解質(zhì)，然后進(jìn)入陽極。在放電過程中，鋰離子離開陽極材料，移動(dòng)通過隔離片中的電解質(zhì)，到達(dá)陰極。鋁、硅、鍺和錫之類的元素能夠與鋰離子反應(yīng)，用于高容量陽極中。能夠與鋰反應(yīng)的陽極材料具有活性區(qū)域和非活性區(qū)域，在活性區(qū)域中，鋰可以反應(yīng)，而在非活性區(qū)域中，鋰不會(huì)反應(yīng)。陽極的活性區(qū)域與非活性區(qū)域之比會(huì)影響電池的效率。

對(duì)于鋰離子在鋰活性材料中的反應(yīng)，已反應(yīng)狀態(tài)和提取狀態(tài)之間存在顯著的體積差異；已反應(yīng)狀態(tài)(reacted?state)的鋰活性陽極材料占據(jù)的體積顯著大于提取狀態(tài)(extracted?state)。因此，在每個(gè)充-放電循環(huán)中，陽極體積有很大比例的變化。在鋰活性陽極中，在循環(huán)的體積變化過程中，經(jīng)常會(huì)在陽極材料中形成裂紋。隨著重復(fù)的循環(huán)，這些裂紋會(huì)蔓延，使得一些部分的陽極材料從陽極上分離。因循環(huán)而造成一些陽極部分的分離被稱為剝落。剝落導(dǎo)致與電池的集電器電連接的活性陽極材料的量減少，從而造成容量損失。

由于硅對(duì)于鋰來說具有高的容量，因此硅陽極是極佳的用于鋰離子電池的備選材料，但是由于循環(huán)剝落，會(huì)使得硅陽極的容量發(fā)生顯著的降低。通過減小鋰離子電池中的硅陽極上施加的充-放電電壓窗口范圍，可以阻止由于循環(huán)造成的容量損失，這是因?yàn)榕蛎浐褪湛s會(huì)隨著電荷狀態(tài)變化。但是通過減小充-放電電壓窗口范圍也會(huì)降低電池的工作能力。而且，硅是一種不良導(dǎo)體，經(jīng)常必須與導(dǎo)電性添加劑一起配制才能用作陽極材料。這些導(dǎo)電性添加劑減小了活性區(qū)域-非活性區(qū)域之比，從而降低了電池的能量密度。導(dǎo)電性添加劑是常規(guī)材料，例如炭黑，在粘合陽極顆粒之前，將其加入所述陽極顆粒中并進(jìn)行混合。