[發明專利]粉末、包括此類粉末的電極和電池組

在審

• 申請號: 202210322654.0
• 申請日: 2015-10-15
• 公開（公告）號: CN114744169A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 斯特金·普特;迪爾克·萬格奈希滕;揚·吉勒;尼古拉斯·馬克斯;武藤有弘;石井伸晃;武內正隆
• 申請（專利權）人: 尤米科爾公司;昭和電工株式會社
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/134;H01M4/133
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 劉慧;金海霞

本發明涉及粉末、包括此類粉末的電極和電池組。本發明具體公開了一種包括粒子的粉末，所述粒子包括基質材料和分散于所述基質材料中的硅基域，其中所述基質材料為碳或能夠被熱分解成碳的材料，其中所述粒子具有小于20體積％的孔隙度，其中所述硅基域的部分以硅基域的附聚物形式存在，由此這些附聚物的至少98％具有3μm或更小的最大尺寸，或者所述硅基域完全沒有附聚成附聚物。根據本發明的粉末將具有更好的循環性能并且將更適用于高電流。

本申請為國際申請PCT/EP2015/073879于2017年6月23日進入中國國家階段、申請號為201580070631.3、發明名稱為“粉末、包括此類粉末的電極和電池組”的分案申請。

技術領域

本發明涉及粉末，更具體地講涉及用于(經或未經進一步處理后)電池組的電極中的粉末，以及包括此類粉末的電極和電池組。

背景技術

鋰離子電池組是目前性能最佳的電池組，并且已經成為便攜式電子裝置的標準。此外，這些電池組已經進入其他工業(諸如汽車和電儲存器)并迅速獲得好評。此類電池組的賦能優點是結合了良好電力性能的高能量密度。

Li離子電池組一般包含多個所謂的Li離子電池，此類鋰離子電池繼而包含正(陰極)電極、負(陽極)電極以及浸沒于電解質中的分隔件。便攜式應用最常使用的Li離子電池的開發是使用電化學活性材料，諸如用于陰極的鋰鈷氧化物或鋰鈷鎳錳氧化物、以及用于陽極的天然或人造石墨。

已知影響電池組的性能并且具體地電池組的能量密度的重要限制性因素中的一者是陽極中的活性材料。因此，為了改善能量密度，過去幾十年間研究開發了基于例如錫、鋁和硅的較新的電化學活性材料，這些開發大部分基于在使用期間在鋰結合在該活性材料中期間將該活性材料與鋰合金化的原理。

看起來硅是最好的候選者，因為可得到4200mAh/g(重量測定法)或2200mAh/cm³(體積測定法)的理論電容，并且這些電容遠大于石墨(372mAh/g)的電容以及其他候選者的電容。

應注意，在本文件通篇中，意欲以硅表示零價狀態中的Si元素。術語“Si”將用于表示Si元素，無論其氧化狀態(零價或經氧化)。

然而，在陽極中使用硅基電化學活性材料的一個缺點是該硅基電化學活性材料在充電期間的大體積膨脹，該體積膨脹在鋰離子完全結合(例如，通過合金化或插入)在該陽極的活性材料中時高達300％，此程序常稱為鋰化作用。硅基材料在鋰結合期間的大體積膨脹可誘發硅中的應力，這繼而可導致該硅材料的機械性劣化。

硅電化學活性材料的重復機械性劣化在Li離子電池組的充電和放電期間周期性地重復發生可使電池組的壽命降低到不可接受的程度。

為試圖減輕硅的體積改變的有害效應，許多研究報告顯示通過將該硅材料縮小成次微米或納米尺寸的硅域(平均尺寸通常小于500nm，并且優選地小于150nm)并且將這些用作電化學活性材料可證明為可行的解決方案。

為適應該體積變化，通常使用復合物粒子，其中硅域與基質材料(通常以碳為基底的材料，但也可能是以硅為基底的合金或氧化物)混合。

對于以碳為基底的材料，兩種不同形態的碳通常廣泛地用于電池組。第一種形態是石墨，其可以是天然的，或通過燒制軟碳而人工制成的，該軟碳是碳質材料，其具有有序的相對小的碳層而在垂直于此類層的方向上無任何顯著結晶學次序。第二種形態是所謂的硬碳，其具有無序碳層，該硬碳層不具有足夠的移動度而無法在加熱時形成石墨。這些硬碳通常由有機聚合物或烴類的分解形成。

此外，硅的負面效應是在幾個鋰化-脫鋰循環后，陽極上可能形成厚的SEI(固體-電解質界面)。SEI是電解質與鋰的復雜反應產物，因此導致鋰在電化學反應的可用性的損失，并因此導致不良的循環性能(其為每次充電-放電循環的容量損失)。厚的SEI可能進一步增加電池組的電阻，由此限制可實現的充電和放電率。