[發(fā)明專利]一種高容量鋰離子電池陽極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310092071.4
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103208617B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘開富
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 曹玉平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高容量鋰離子電池陽極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

目前鋰離子電池主流的陽極材料為商業(yè)化的石墨，其已接近石墨的理論容量(372mAh/g)，因此，僅僅依靠改進(jìn)石墨陽極材料來提升電池的能量密度的空間已經(jīng)很小。

硅由于能與鋰發(fā)生合金化反應(yīng)生成Li_3.5Si，因此能夠提供高達(dá)3500mAh/g的容量，大約為石墨容量的十倍，因此引起了廣大研究者的興趣。然而，合金化反應(yīng)中，伴隨著300%的體積變化，電接觸變差和循環(huán)衰減劇烈等問題限制了其商業(yè)推廣(Journal of Power Sources, Volumes 163, 9 November 2006, Pages 1003-1039)。

人們對合金陽極材料的上述缺點已經(jīng)做出大量的探索研究并取得了較大的進(jìn)展：例如，通過減小硅的顆粒尺寸，減少其絕對體積的變化，能夠防止粉體的脫落；再如，將納米硅顆粒分散在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中，能夠保持硅顆粒的電接觸。

如美國3M公司的美國專利US 7,871,727 B2通過將無定形的硅分散到Al-Fe等金屬合金中制得Si-Al-Fe合金產(chǎn)品，其首次效率可達(dá)85%，與傳統(tǒng)石墨的首次效率相差無幾。

盡管硅合金的循環(huán)問題已經(jīng)得到了不少改進(jìn)，然而其核心的問題并沒有得到解決。根據(jù)我們的計算，合金處鋰材料的容量和體積的變化成線性關(guān)系，在消費類電子產(chǎn)品中，人們更關(guān)心體積能量密度，考慮到材料的壓實及脫嵌鋰電壓，在合金類材料中，Sn，Al和Si相對于石墨有體積能量密度的優(yōu)勢。雖然已有不少專利申請中的陽極材料用到了以上三種物質(zhì)（尤其是Si和Sn），但是為了緩解整個陽極片的體積變化，很多專利申請均著重在控制這些物質(zhì)的含量上。客觀的說，對這些物質(zhì)含量的控制確實可以在一定程度上緩解整個陽極片的體積變化，但是從它們的局部微觀曲線可以看出，顆粒的膨脹仍然較大，這就導(dǎo)致陽極片表面的SEI膜（固體電解質(zhì)膜）在來回充放電過程中容易遭受破壞，導(dǎo)致電解液的大量消耗，最終導(dǎo)致電池跳水現(xiàn)象的發(fā)生。

有鑒于此，確有必要提供一種包含合金陽極材料的高容量鋰離子電池陽極材料及其制備方法，該高容量鋰離子電池陽極材料既能解決合金陽極材料較大的體積變化帶來的粉料脫落問題，又能較大程度上緩解陽極片的變形，并能保護(hù)陽極片表面的SEI膜的穩(wěn)定性，從而延長電池的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種包含合金陽極材料的高容量鋰離子電池陽極材料及其制備方法，該高容量鋰離子電池陽極材料既能解決合金陽極材料較大的體積變化帶來的粉料脫落問題，又能較大程度上緩解陽極片的變形，并能保護(hù)陽極片表面的SEI膜的穩(wěn)定性，從而延長電池的使用壽命。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用如下技術(shù)方案：一種高容量鋰離子電池陽極材料，包括固態(tài)電解質(zhì)層和合金顆粒，所述合金顆粒分散于所述固態(tài)電解質(zhì)層內(nèi)，所述合金顆粒的粒徑為5nm-300nm。若合金顆粒的粒徑小于5nm，由于顆粒太小，制備起來比較困難；而若合金顆粒的粒徑大于300nm，則由于顆粒太大，會導(dǎo)致材料的體積膨脹太大，顆粒容易粉碎，粉碎后產(chǎn)生的新鮮表面容易發(fā)生副反應(yīng)，形成SEI膜，導(dǎo)致電解液的分解。優(yōu)選為5nm-100nm。

作為本發(fā)明高容量鋰離子電池陽極材料的一種改進(jìn)，所述固態(tài)電解質(zhì)層的外表面包覆有導(dǎo)電包覆層。導(dǎo)電包覆層可以保護(hù)分散有合金顆粒的固態(tài)電解質(zhì)層不受破壞，同時提高材料的電子電導(dǎo)和電化學(xué)活性，增加材料的反應(yīng)活性。

作為本發(fā)明高容量鋰離子電池陽極材料的一種改進(jìn)，所述合金顆粒以網(wǎng)狀或納米點狀的形式分布于所述固態(tài)電解質(zhì)層內(nèi)。其中，網(wǎng)狀分布時(網(wǎng)狀分布是指合金顆粒在固態(tài)電解質(zhì)層內(nèi)分散均勻，顆粒之間相互接觸呈線性分布)，一方面有利于電子電導(dǎo)的傳輸，另一方面，由于網(wǎng)狀分布的合金顆粒有一個尺度是在納米級別，因此有利于抑制材料的體積膨脹。而納米點狀分布(點狀分布是指合金顆粒在固態(tài)電解質(zhì)層內(nèi)均勻不連續(xù)分散)的合金顆粒則能有效抑制材料的體積膨脹。因此，優(yōu)選為網(wǎng)狀分布。