[發明專利]用于金屬離子電池的電極

有效

• 申請號: 201780040918.0
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN109417163B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 畠沢剛信;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: H01M4/133
• 分類號: H01M4/133;H01M4/131;H01M4/1391;H01M4/1393;H01M4/36;H01M4/48;H01M10/05;H01M10/052;H01M4/38;H01M4/134;H01M4/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李博;柳春琦

提供了一種用于金屬離子電池的電極，其中電極的活性層包含多個低孔隙率粒子，所述低孔隙率粒子包含選自硅、硅氧化物、鍺、錫、鋁及其混合物的電活性材料，以及碳粒子，所述碳粒子多個選自石墨、軟碳和硬碳中的一種或多種。碳粒子的D₅₀粒度與多孔粒子的D₅₀粒徑的比率在1.5至30的范圍內。還提供了可再充電金屬離子電池，其包括所述電極以及可以用于制備所述電極的活性層的多孔粒子和碳粒子的組合物。

本發明總體上涉及用于金屬離子電池的電極組合物，并且更具體涉及包含碳粒子和至少一種其他顆粒電活性材料的混合電極組合物。還提供了包含所述電極組合物的電極，包括所述電極的金屬離子電池，和制造所述電極的方法。

可再充電金屬離子電池廣泛地用于便攜式電子設備如移動電話和筆記本電腦，并且正越來越多地應用于電動車輛或混合動力車輛。可再充電的金屬離子電池通常包括陽極層，陰極層，在陽極層和陰極層之間傳輸金屬離子的電解質，以及設置在陽極和陰極之間的電絕緣多孔隔膜。陰極一般包括設置有含金屬離子金屬氧化物系復合材料的層的金屬集流體，而陽極一般包括設置有電活性材料的層的金屬集流體，所述電活性材料在本文中被定義為在電池的充電和放電期間能夠嵌入和釋放金屬離子的材料。

為了避免疑問，在本文中使用的術語“陰極”和“陽極”以這樣的含義使用：電池跨過負載放置，以使得陰極是正極并且陽極是負極。當金屬離子電池充電時，金屬離子從含金屬離子的陰極層經由電解質輸送至陽極并且嵌入陽極材料中。在本文中使用術語“電池”不僅是指包含單個陽極和單個陰極的裝置，而且還指包含多個陽極和/或多個陰極的裝置。

對提高可再充電金屬離子電池的重量和/或體積容量存在關注。當與其他電池技術進行比較時，鋰離子電池的使用已經提供了大量改善，但是仍存在進一步發展的余地。截止目前，商業金屬離子電池大大地局限于使用石墨作為陽極活性材料。當對石墨陽極進行充電時，鋰嵌入到石墨層之間以形成具有經驗式Li_xC₆(其中x大于0并且小于或等于1)的材料。因此，在鋰離子電池中石墨具有372mAh/g的最大理論容量，實際容量稍微更低(約320至360mAh/g)。其他材料，如硅、錫和鍺，能夠以比石墨顯著更高的容量嵌入鋰，但是由于難以隨著眾多次充電/放電循環保持足夠的容量而沒有得到廣泛的商業使用。

特別地，由于其對于鋰的非常高的容量，硅而作為用于制造具有高重量和體積容量的可再充電的金屬離子電池的石墨的潛在備選方案而引起了越來越多的注意(參見，例如Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries(用于可再充電鋰電池的嵌入電極材料),Winter,M等，Adv.Mater.1998,10,No.10)。在室溫，硅在鋰離子電池中具有約3,600mAh/g的理論容量(基于Li₁₅Si₄)。然而，其作為電活性材料的使用由于在充電和放電時的大的體積變化而復雜化。鋰向體相(bulk)硅中的嵌入(或硅的合金化)導致硅材料的體積大幅增加(當硅鋰化至其最大容量時高達其初始體積的400％)，并且重復的充電-放電循環在硅材料中造成顯著的機械應變，從而導致硅陽極材料的破裂和脫層。陽極材料和集流體之間的電接觸的損失導致在隨后的充電-放電循環中的顯著容量損失。

使用鍺作為電活性材料與類似問題有關。在鋰離子電池中，鍺具有1625mAh/g的最高理論容量。然而，當將鍺鋰化至其最大容量時，鋰向體相鍺中的嵌入導致高達370％的體積變化。與硅一樣，在鍺材料上的機械應變導致陽極材料的破裂和脫層以及容量損失。

錫和鋁是電活性材料的另外的實例，其能夠以比石墨明顯更高的體積和重量容量嵌入金屬離子，但是其也與容量損失有關，這歸因于電活性材料隨著多個充電和放電循環的膨脹和收縮。