[發明專利]結構化顆粒及其在鋰可再充電電池組中的使用

在審

• 申請號: 201510080927.5
• 申請日: 2008-07-17
• 公開（公告）號: CN104795547A
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: M·格林;劉峰名
• 申請（專利權）人: 奈克松有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/134;H01M10/052;H01M4/04;H01M4/1395
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 賀月嬌;楊曉光

本申請是申請日為2008年7月17日、申請號為200880025163.8、發明名稱為“制造由硅或基于硅的材料構成的結構化顆粒的方法及其在鋰可再充電電池組中的使用”的申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及包括硅的顆粒、制造顆粒的方法、包含顆粒作為其活性材料的電極、電化學電池(cell)、鋰可再充電電池陽極、電池、由電池供電的裝置、產生復合電極的方法、制造鋰可再充電電池的方法以及制造含硅纖維的方法。

背景技術

最近對于諸如移動電話和筆記本電腦的便攜式電子裝置的使用的增加和在混合電動車輛中使用可再充電電池組(battery)的新興趨勢，已經產生了對用于向上述裝置和其他電池組供電裝置提供電力的更小、更輕、更長壽命的可再充電電池組的需求。在20世紀90年代期間，鋰可再充電電池組(特別地，鋰離子電池組)變得流行，就售出數量而言，現在其統治著便攜式電子設備市場并被用來應用于新的、對成本敏感的應用。然而，由于越來越多的耗電功能(例如，移動電話中的照相機)被加入到上述裝置中，因此需要每單位質量和每單位體積存儲更多能量的改進的且成本更低的電池組。

公知可以使用硅作為可再充電鋰離子電化學電池組電池(battery?cell)的活性陽極材料(參見，例如，Insertion?Electrode?Materials?for?Rechargeable?Lithium?Batteries,M.Winter,J.O.Besenhard,M.E.Spahr,and?P.Novak?in?Adv.Mater.1998,10,No.10)。圖1示出了常規鋰離子可再充電電池組電池的基本構成，其包括基于石墨的陽極電極，該部件將被基于硅的陽極所取代。該電池組電池包括單個電池，還可包括多于一個的?電池。

電池組電池通常包括用于陽極的銅集電體(current?collector)10和用于陰極的鋁集電體12，集電體10和12可根據需要而被外部連接到負載或連接到再充電電源。基于石墨的復合陽極層14覆蓋集電體10，并且基于含鋰金屬氧化物的復合陰極層16覆蓋集電體12。在基于石墨的復合陽極層14與基于含鋰金屬氧化物的復合陰極層16之間設置多孔塑性間隔物或分離物20，并且液體電解質材料被分散在多孔塑性間隔物或分離物20、復合陽極層14以及復合陰極層16內。在一些情況下，可以用聚合物電解質材料取代多孔塑性間隔物或分離物20，并且在這些情況下，聚合物電解質材料存在于復合陽極層14和復合陰極層16二者內。

當電池組電池完全充滿電時，鋰經由電解質而從含鋰金屬氧化物輸運到基于石墨的層中，在該處，鋰與石墨反應生成化合物LiC₆。作為復合陽極層中的電化學活性材料，石墨具有372mAh/g的最大容量。注意，在負載兩端設置電池組的意義上使用術語“陽極”和“陰極”。

通常認為，當將硅用作鋰離子可再充電電池中的活性陽極材料時，硅提供的容量顯著高于當前所使用的石墨。當通過在電化學電池中硅與鋰反應而轉變為化合物Li₂₁Si₅時，硅具有4200mAh/g的最大容量，該容量顯著高于石墨的最大容量。因此，如果在鋰可再充電電池組中可用硅來取代石墨，便可以實現所希望的每單位質量和每單位體積的存儲的能量的增加。

在鋰離子電化學電池中使用硅或基于硅的活性陽極材料的現有方法不能在經過了所需數目的充電/放電循環之后維持容量，因此在商業上是不可用的。

本領域中公開的一種方法使用粉末形式的硅(例如，具有10μm直徑的顆粒或球基元(element))，在某些實例中其被制造為復合物(具有或不具有電子添加劑)并包含涂敷在銅集電體上的諸如聚偏氟乙烯的適宜的粘結劑。然而，該電極系統在經受重復的充電/放電循環時不能維持容量。認為該容量損失歸因于硅粉末塊(mass)的由與鋰插入/抽離宿主硅相關聯的體積膨脹/收縮導致的局部機械隔離。這反過來又引起硅基元與銅集電體?和其自身的電隔離。此外，體積膨脹/收縮使球基元破裂，從而導致在球基元本身內部的電接觸的損失。