[發明專利]硅陽極材料

有效

• 申請號: 201910369913.3
• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN110556521B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: G·齊;李偉;肖興成
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

提供了一種用于循環鋰的電化學電池的硅陽極材料及與其相關的形成方法。硅陽極材料包括多個碳封裝硅簇，其中每個碳封裝硅簇包含封裝在內部體積大于硅納米顆粒體積的碳殼中的一定體積的硅納米顆粒。制造硅陽極材料的方法包含形成多個前體簇，其中每個前體硅基簇包括一定體積的SiO_x納米顆粒(x≤2)。該方法進一步包含碳涂覆每個前體簇，以形成多個碳涂覆的SiO_x簇；以及還原各碳涂覆SiO_x簇中的SiO_x納米顆粒，形成硅陽極材料。

引言

本部分提供與本公開相關的背景信息，其不一定是現有技術。

本公開涉及用于循環鋰的電化學電池的硅陽極材料及其相關的形成方法。硅陽極材料包括多個碳封裝硅簇，每個碳封裝硅簇包含封裝在內部體積大于硅納米顆粒體積的碳殼中的一定體積的硅納米顆粒。

作為背景技術，高能量密度的電化學電池，例如鋰離子電池可以用于多種消費品和車輛，例如混合動力車(HEV)和電動車(EV)。典型的鋰離子和鋰硫電池包含第一電極、第二電極、電解質材料和隔膜。一個電極用作正極或陰極(放電時)，另一個用作負極或陽極(放電時)。堆疊的電池單元可以電連接以增加總輸出。傳統的可再充電鋰離子電池通過在負極和正極之間可逆地來回傳遞鋰離子來工作。隔膜和電解質設置在負極和正極之間。電解質適合于傳導鋰離子并且可以是固體(例如，固態擴散)或液體形式。在電池充電期間，鋰離子從陰極(正極)移動到陽極(負極)，并且在電池放電時沿相反方向移動。

陽極和陰極材料與電解質的接觸可以在電極之間產生電勢。當電極之間的外部電路中產生電子流時，通過電池單元內的電化學反應維持電勢。疊層內的每個負極和正極連接到集電器(通常是金屬，例如用于陽極的銅和用于陰極的鋁)。在電池使用期間，與兩個電極相關聯的集電器通過外部電路連接，該外部電路允許由電子產生的電流在電極之間通過以補償鋰離子的傳輸。

可以使用許多不同的材料來產生用于鋰離子電池的部件。例如，用于鋰電池的陰極材料通常包括可以嵌入鋰離子的電活性材料，例如鋰-過渡金屬氧化物或尖晶石型的混合氧化物，例如包含尖晶石LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn_1.5Ni_0.5O₄、LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂(其中0x1，y1，并且M可以是Al、Mn等)或磷酸鐵鋰。電解質通常含有一種或多種鋰鹽，其可以在非水溶劑中溶解和離子化。負極通常包含鋰嵌入材料或合金主體材料。例如，用于形成陽極的典型電活性材料包含鋰-石墨插層化合物、鋰-硅插層化合物、鋰-錫插層化合物和鋰合金。

某些陽極材料具有特定的優點。雖然石墨化合物是最常見的，但具有高比容量(與常規石墨相比)的陽極材料越來越受到關注。例如，硅對于鋰具有最高的已知理論充電容量，使其成為用于可再充電鋰離子電池最有前景的材料之一。然而，包括硅的陽極材料可能具有顯著的缺點。例如，含硅材料在鋰插入/取出(例如嵌入和脫出)期間的大體積變化(例如體積膨脹/收縮)可導致陽極物理損壞，包含起皺、斷裂或破裂。因此，這種體積膨脹會導致電接觸和電極活性損失。在含硅電極的商業可行性所需的負荷密度水平下尤其如此。此外，固體電解質界面(SEI)層的形成可以在活性材料表面上形成并且引起連續的電解質消耗和鋰離子損失，這會導致鋰離子電池中不可逆的容量衰減。因此，在包括硅的陽極的嵌入/合金化期間的大體積膨脹可導致電化學循環性能下降、庫侖電荷容量減小(容量衰減)、以及循環壽命極度受限且較差。

因此，期望開發在高能鋰離子電池中使用的材料，其克服了阻礙包括硅電極材料的廣泛商業使用(特別是在車輛應用中)的當前缺點。對于長期和有效的使用，含硅陽極材料應該能夠在鋰離子電池中長期使用時使容量衰減最小化并使充電容量最大化。

發明內容

本節提供了本公開的總體概述，并不是對其全部范圍或其所有特征的全面公開。