[發明專利]用于可控地合成碳基電池電極材料的方法

有效

• 申請號: 201710183016.4
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN107230778B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: A·哈魯特尤亞恩
• 申請（專利權）人: 本田技研工業株式會社
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/20
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 易詠梅;王春俏

公開了包括由富勒烯的半球橋接的石墨顆粒的碳基電極材料，以及合成碳基電極材料的方法。這些碳基電極材料可以允許在鋰離子電池系統中的循環期間降低不可逆容量損失。

相關申請的交叉引用

本申請要求在2016年3月25日提交的、序號為62/313,554 的、名稱為“Method ForControllable Synthesis Of Carbon Based Battery Electrode Material(用于可控地合成碳基電池電極材料的方法)”的美國臨時專利申請的權益，在此明確地通過引用其全部內容將其所公開的內容并入本文。

技術領域

本發明涉及一種用于可控地合成碳基電池電極材料的方法。

背景技術

鋰離子二次電芯或電池通常用作便攜式電子設備中的電源。這種可再充電電芯通常使用鋰過渡金屬氧化物(例如，鈷酸鋰)正電極和由高度多孔的碳質材料(通常為石墨)構成的負電極。然而，碳質材料還可以包括其他碳材料、金屬材料和/或熱解的有機材料。在兩個電極之間設置鋰離子可溶的電解質，并且電芯被充電。在充電的電化學過程期間，正電極中的一些鋰離子從正電極(用作陽極)遷移并嵌入到負電極(用作陰極)中。電極接受用于嵌入的離子的能力在很大程度上取決于例如電極所包含的材料的結晶度、微結構、孔隙率和/或微觀形態。在放電期間，由負電極(現在用作陽極)保持的負電荷通過其負極端子傳導出電池，并且鋰離子通過電解質遷移并返回到正電極(現在用作陰極)。雖然應當理解，術語“陽極”和“陰極”根據電芯是否正在充電或正在放電而分別應用于負電極和正電極，下文中術語“陽極”用于指負電極，并且術語“陰極”用于指正電極。

在鋰離子嵌入碳質陽極材料的第一電化學嵌入期間，一些鋰被不可逆地消耗，并且在隨后的放電中不能恢復大量的容量。這種不可逆容量損失主要取決于所使用的碳質陽極材料和電解質溶液的類型，并且基于電解質溶液的還原和在Li_xC界面處鈍化膜的形成來解釋。鋰與碳的活性表面官能團的化學組合也可在這種不可逆容量損失中起重要作用。不可逆容量的另一個來源是Li離子濃度的減少，這是由于離子與陽極材料的強結合，隨后Li的枝晶形狀的生長。這種不可逆容量損失影響電芯平衡并降低鋰離子電池的能量密度。

目前，在商業鋰離子電池中使用特殊類型的“硬碳”或石墨作為陽極材料。與金屬鋰的3830mAh/g相比，對應于LiC₆的化學式的碳/石墨材料提供僅為～370mAh/g的可逆的比容量。這些特殊碳材料的主要優點是其相對低的不可逆容量損失(10％)以及其高存儲容量(400mAh/g)的組合。然而，合成這些特殊碳材料的方法不允許能夠進一步提高容量并減少不可逆容量損失的、對材料的孔尺寸分布、結晶度和表面積的獨立微調或控制。

基于前述內容，本領域需要合成用在鋰離子電池系統中的廉價的碳基電極材料，其具有增加的可逆容量和降低的不可逆容量損失。如果可以使用能夠控制電極材料的孔尺寸分布、表面積和結晶度的方法來合成材料，則是更有利的。

發明內容

本發明的方案主要涉及用在例如鋰離子電池中的復合材料。復合材料包括通過至少一個五邊形環橋接的石墨顆粒。這些復合材料可以用于電極中，以類似于昂貴的“硬碳”材料允許在循環期間降低不可逆的容量損失，并且可以合成這些復合材料以控制碳復合材料的孔尺寸分布、表面積和結晶度。

在一個方案中，本發明涉及一種復合碳材料，其包含至少連接到第二石墨顆粒的至少第一石墨顆粒，其中第一石墨顆粒和第二石墨顆粒通過五邊形碳環前體連接。

在另一方案中，本發明涉及一種碳基電極材料，其包含至少連接到第二石墨顆粒的至少第一石墨顆粒，其中第一石墨顆粒和第二石墨顆粒通過富勒烯的半球連接。

在另一方案中，本發明涉及一種合成碳基電極材料的方法。該方法包括：將至少第一石墨顆粒和第二石墨顆粒與至少一個富勒烯的半球混合；以及在碳氫化合物氣體的存在下將混合物加熱至高達 2000℃的溫度。