[發(fā)明專利]具有核?殼結(jié)構(gòu)的材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510044766.4
• 申請(qǐng)日: 2009-04-16
• 公開（公告）號(hào): CN104638239B
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: C·魯爾斯;J·菲利普斯;M·N·理查德;K·L·斯塔姆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 豐田自動(dòng)車工程及制造北美公司;新墨西哥大學(xué)科技公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/40;H01M4/38;H01M4/46;H01M4/62
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所11038
• 代理人: 李躍龍

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年4月16日、發(fā)明名稱為“具有核-殼結(jié)構(gòu)的材料”的中國(guó)專利申請(qǐng)200910134292.7的分案申請(qǐng)。

政府權(quán)利

本發(fā)明是在由美國(guó)能源部簽署的No.DE-AC52-06NA25396合同利用美國(guó)政府的支持而完成的。在本發(fā)明中，美國(guó)政府具有一定的權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種材料，特別是具有核-殼結(jié)構(gòu)的材料。

背景技術(shù)

對(duì)電池的能量要求持續(xù)增長(zhǎng)，而在體積和質(zhì)量方面的限制卻持續(xù)存在。此外，對(duì)安全、低成本和環(huán)境友好材料的需求也在增長(zhǎng)。使用常規(guī)鋰離子電池化學(xué)物質(zhì)不能滿足這些需求和電池的技術(shù)要求。盡管鋰離子電池已經(jīng)得到優(yōu)化且顯示了穩(wěn)定的能量，這些系統(tǒng)受到了鋰的量的限制，所述鋰可以可逆地嵌入電池的活性材料結(jié)構(gòu)中和從其中移出。

對(duì)于更高性能、安全、低成本和環(huán)境友好材料的需求只能通過開發(fā)新的電池材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。研究人員已提出了用錫取代碳基陽(yáng)極。在電池的充電期間，錫與鋰合金化。鋰錫合金形成了每1個(gè)錫原子4.4個(gè)鋰原子的最大濃度，該濃度相當(dāng)于993mAh/g的容量。常規(guī)碳基陽(yáng)極具有372mAh/g的理論容量。因此，用錫基陽(yáng)極電池取代常規(guī)碳基陽(yáng)極電池能夠產(chǎn)生更高的能量容量。

研究顯示，使用錫基陽(yáng)極存在兩個(gè)主要問題。第一為差的循環(huán)壽命，而第二為差的錫利用率。差的循環(huán)壽命定義為作為充電－放電循環(huán)次數(shù)的函數(shù)的不良的電池能量保持率。研究人員已采用兩種方法解決這些問題。首先，通過形成錫和至少一種其它金屬的金屬間化合物，其次，通過向陽(yáng)極復(fù)合物添加非電化學(xué)活性材料。然而，現(xiàn)有的研究不能解決鋰錫電池的不良性能的基本原因，所述原因?yàn)椋?)充電時(shí)鋰與錫的合金化所產(chǎn)生的錫鋰顆粒的大的體積膨脹；及2)在上述體積膨脹期間錫團(tuán)聚物的破碎。體積膨脹在后續(xù)循環(huán)期間導(dǎo)致了錫顆粒從基質(zhì)中分離，而錫團(tuán)聚物的破碎導(dǎo)致具有暴露的新表面區(qū)域的細(xì)顆粒。該新表面區(qū)域與基質(zhì)不接觸，因此如錫顆粒從基質(zhì)中分離一樣，導(dǎo)致了電池容量的降低。因此，需要具有足夠循環(huán)壽命和適當(dāng)?shù)腻a利用率的鋰錫電池。

發(fā)明內(nèi)容

所公開的是具有復(fù)合顆粒的材料。該復(fù)合顆粒包括含有例如碳、氮、氧或硫元素的外殼和由鋰合金化材料如錫、硅、鋁和/或鍺制成的內(nèi)核。如果外殼由碳制成，則復(fù)合顆粒的外殼具有小于20nm的平均厚度，且復(fù)合顆粒具有小于100nm的外部平均直徑。在一些情形中，內(nèi)核由錫、錫二元合金、錫三元合金或錫四元合金制成。

附圖說明

圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的材料的截面示意圖；

圖2是用于本發(fā)明實(shí)施方案的制備方法的流程圖；

圖3是具有錫核的碳外殼的透射電子顯微圖像。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明包括由復(fù)合顆粒制成的材料，所述復(fù)合顆粒具有外殼和內(nèi)核。該內(nèi)核由鋰合金化材料制成，而外殼是電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和/或混合導(dǎo)體。在電池工作期間，殼可以與鋰可逆地反應(yīng)或者可以不與鋰可逆地反應(yīng)，以提供額外的能量。應(yīng)理解，如果殼與鋰可逆地反應(yīng)，則其能夠通過抑制鋰在陽(yáng)極表面的鍍覆而在過充電方面提供安全緩沖。因此，該材料可用于電化學(xué)裝置。

在一些情形中，在使用該材料期間，核是實(shí)心的。例如，內(nèi)核可以由鋰合金化材料制成，示例性地包括錫、二元錫合金、三元錫合金等。應(yīng)理解，可組合多個(gè)復(fù)合顆粒以制備電極，該電極是電化學(xué)裝置的一部分。

還公開了制備復(fù)合顆粒的方法。該方法包括提供具有外殼和內(nèi)核成分(component)的前體粉末。在氣體中懸浮該前體材料粉末以形成氣溶膠，然后使氣溶膠通過等離子炬的熱區(qū)。使前體粉末通過等離子炬會(huì)產(chǎn)生核-殼復(fù)合顆粒，其中核通常占據(jù)外殼內(nèi)部容積的100％。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖1,以標(biāo)記10總體表示由依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的復(fù)合顆粒制成的材料。材料10包括復(fù)合顆粒100,該顆粒100具有外殼110和內(nèi)核120。應(yīng)理解，內(nèi)核120可以包括2個(gè)獨(dú)立容積，芯核材料的第一容積和孔隙空間的第二容積。在替代方案中，內(nèi)核120可以僅包括芯核材料的一個(gè)容積。

內(nèi)核120可以由鋰合金化材料制成，示例性地包括錫、硅、鋁、鍺、及其組合和合金。外殼110還可以由各種材料制成。例如，如氧化物、碳酸鹽、鹵化物、碳化物、石墨、石墨烯(graphene)、蒽和無(wú)定形碳的材料可用于形成復(fù)合顆粒的外殼，只要所獲的外殼是電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和/或混合導(dǎo)體即可。