[發明專利]結構化粒子

在審

• 申請號: 201480052678.2
• 申請日: 2014-08-05
• 公開（公告）號: CN105765769A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 克里斯托弗·邁克爾·弗蘭德
• 申請（專利權）人: 奈克松有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 牛海軍

發明領域

本發明涉及包含被若干大孔穿通的主體的粒子、制備所述粒子的方法和所述粒子在可再充電的金屬離子電池組中的應用。

發明背景

可再充電的鋰離子電池組廣泛地應用于便攜式電子裝置如移動電話和筆記本中，并且正在發現在電動汽車或混合動力電汽車中日益增加的用途。然而，對于提供每單位質量和/或每單位體積存儲更多能量的電池組，存在著正在發展的需要。在移動裝置中，體積能量容量是重要的，而在汽車用途中，重量能量容量和充電/放電率性能通常是更重要的。

傳統鋰-離子可再充電的電池組電池的結構示于圖1中。電池組電池包括單一的電池，但是也可以包括多于一個電池。其他金屬離子的電池組也是已知的，例如鈉離子和鎂離子電池組，并且具有基本上相同的電池結構。

電池組電池包含用于陽極的集流體10，例如銅，和用于陰極的集流體12，例如鋁，它們兩者都是合適時可外部連接到負載或再充電電源的。復合材料陽極層14覆蓋集流體10，且含鋰的金屬氧化物基復合材料陰極層16覆蓋集流體12(為避免任何疑問，在將電池組跨越負載放置的意義上使用如本文所使用的術語“陽極”和“陰極”——在此意義上，負電極被稱為陽極且正電極被稱為陰極)。

陰極包含能夠釋放和再吸收鋰離子的材料，例如鋰基金屬氧化物或磷酸鹽、LiCoO₂、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、LiMn_xNi_xCo_1-2xO₂或LiFePO₄。

在石墨基復合材料陽極層14和含鋰的金屬氧化物基復合材料陰極層16之間，設置多孔的塑料隔離片或隔板20。將液體電解質材料分散在多孔的塑料隔離片或隔板20、復合材料陽極層14和復合材料陰極層16內部。在一些情況下，可以用聚合物電解質材料替換多孔的塑料隔離片或隔板20，并且在這樣的情況下，聚合物電解質材料在復合材料陽極層14和復合材料陰極層16兩者內部存在。聚合物電解質材料可以是固體聚合物電解質或凝膠型聚合物電解質，并且可以將隔板并入。

當電池組電池充滿電時，鋰已經被從含鋰的金屬氧化物陰極層16經由電解質輸送到了陽極層14中。在石墨基陽極層的情況下，鋰與石墨反應而形成化合物LiC₆。石墨，作為在復合材料陽極層中的電化學活性材料，具有372mAh/g的最大容量。(如本文所使用的“活性材料”或“電活性材料”表示一種這樣的材料，其在電池組的分別的充電階段和放電階段，能夠將金屬離子如鋰、鈉、鉀、鈣或鎂插入其結構中和從其中釋放。優選地，該材料能夠插入并且釋放鋰。)

硅基活性陽極材料的應用在本領域也是已知的。硅具有比石墨顯著更高的最大容量。然而，不像在金屬離子的插入和釋放過程中保持基本上不被改變的活性石墨，向硅中插入金屬離子的過程導致實質的結構改變，伴有顯著的膨脹。例如，鋰離子向硅中的插入導致Si-Li合金的形成。在例如“用于可再充電的鋰電池組的插入電極材料(InsertionElectrodeMaterialsforRechargeableLithiumBatteries)”，Winter等，Adv.Mater.1988，10，第10期，725-763頁中，描述了Li離子插入對陽極材料的影響。

發明內容

在第一方面中，本發明提供了一種用于用作金屬離子電池組的活性組分的包含穿通粒子的粉末，所述穿通粒子各自包含粒子主體和至少一個延伸通過所述粒子主體的通道，其中所述穿通粒子具有至少3∶1的平均長徑比、不大于3μm的平均厚度，且所述通道具有至少30nm的平均寬度。

在第二方面中，本發明提供了一種組合物，所述組合物包含根據第一方面的粉末和至少一種另外的組分。

在第三方面中，本發明提供了一種漿料，所述漿料包含溶劑和根據第一方面的粉末或根據第二方面的組合物。

在第四方面中，本發明提供了一種電極，所述電極包含根據第二方面的組合物。

在第五方面中，本發明提供了一種金屬離子電池組，所述金屬離子電池組包含陽極、陰極和在所述陽極與陰極之間的電解質，其中所述陽極包含根據第一方面所述的粉末或根據第二方面所述的組合物。

在第六方面中，本發明提供了一種形成根據第五方面所述的金屬離子電池組的方法，所述方法包括通過沉積根據第三方面所述的漿料并蒸發所述溶劑而形成所述陽極的步驟。