多孔硅基负极活性材料、它的制备方法以及包括它的可再充电锂电池技术

本发明专利技术涉及制备多孔硅基负极活性材料的方法、负极活性材料和包括它们的可再充电锂电池，所述方法包括：混合多孔二氧化硅(SiO2)与铝粉末；通过热处理多孔二氧化硅与铝粉末的混合物将所有或部分的铝粉末氧化成氧化铝而在同一时间将所有或部分的多孔二氧化硅还原成多孔硅(Si)。

【技术实现步骤摘要】
多孔硅基负极活性材料、它的制备方法以及包括它的可再充电锂电池相关申请的交叉引用本申请要求于2013年6月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2013-0071793的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
公开了多孔硅基负极活性材料、它的制备方法以及包括它的可再充电锂电池。
技术介绍
可再充电锂电池作为电子装置的电源被关注。石墨被广泛地用作可再充电锂电池的材料，但是不容易获得可再充电锂电池的高容量，因为每克石墨的容量较小，为372mAh/g。作为具有比石墨更高容量的负极材料，存在与锂形成金属间化合物的材料，例如硅、锡、其氧化物等。然而，那些材料的问题在于当它们吸附并存储锂时通过引起晶体变化而增加体积。在硅酮的情况中，当吸附并存储的锂为最多时，其转化为Li4.4Si，然后通过充电增加其体积。体积的增加率为其膨胀前的硅体积的4.12倍。作为参考，目前用作负极材料的石墨的体积膨胀率为约1.2倍。因此，进行了对高容量的负极活性材料(特别是例如硅)的大量研究，尤其通过与硅形成合金而降低体积膨胀速率的研究。然而，其实践存在问题，因为当例如Si、Sn和Al的金属在充电和放电期间与锂形成合金时，产生体积的膨胀和收缩，由此发生金属雾化以及循环特性的劣化。尽管硅是用于实现高容量的最好备选原子，但是通常已知它及它的合金不容易被非晶化。硅基负极活性材料的另一个问题是晶体的脆度高。在高脆度晶体的情况下，在重复嵌入和脱嵌锂的工艺时迅速出现电极的负极活性材料中的裂缝。由此电池的寿命循环急剧下降。
技术实现思路
以下公开涉及多孔硅基负极活性材料，其限制活性材料在寿命循环中的体积膨胀，并改善了稳定性以及寿命循环；它的制备方法和包括它的可再充电锂电池。本专利技术的示例性的实施方式提供用于制备多孔硅基负极活性材料的方法，包括：将多孔二氧化硅(SiO2)与铝粉末混合；通过热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物，将所有或部分铝粉末氧化成氧化铝，同时将所有或部分多孔二氧化硅还原成多孔硅(Si)。所述多孔二氧化硅可由硅藻土获得。所述多孔二氧化硅的平均粒径可为100nm至50μm。所述多孔二氧化硅的孔隙的平均直径可为20nm至1μm。所述铝粉末的平均粒径可为1μm至100μm。在混合所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的步骤中将25至70重量份的所述铝粉末添加至100重量份的所述多孔二氧化硅。混合所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的步骤为向所述多孔二氧化硅和所述铝粉末添加矿物添加剂。所述矿物添加剂可为氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)或其组合。可通过干混的方法进行将所述多孔二氧化硅与所述铝粉末混合的步骤。在热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物的步骤中，可在650℃至950℃的温度下进行加热工艺。基于100重量份的在所得多孔硅基负极活性材料中的所述多孔硅，所述氧化铝的重量可为1至20重量份。所得多孔硅基负极活性材料可为其中所述多孔硅与所述氧化铝均匀混合的形状。所述方法可包括去除在热处理所述多孔二氧化硅和所述铝粉末的混合物后生成的所有或部分所述氧化铝的步骤。可使用氯化钠、磷酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、醋酸、氨溶液、过氧化氢或其组合进行去除所有或部分所述氧化铝的步骤。所述方法还可以在热处理所述多孔二氧化硅和所述铝粉末的混合物的步骤后包括碳涂布步骤。本专利技术的另一个示例性的实施方式提供用于制备多孔硅基负极活性材料的方法，包括：混合多孔二氧化硅(SiO2)和第一金属粉末；通过热处理所述多孔二氧化硅与所述第一金属粉末的混合物将所有或部分所述第一金属粉末氧化成第一金属氧化物，同时将部分所述多孔二氧化硅还原成多孔硅(Si)；获得包括所述多孔硅和所述第一金属氧化物的第一多孔硅基材料；混合不同种类的第二金属粉末和所得第一多孔硅基材料；通过热处理所述第二金属粉末与所述第一多孔硅基材料的混合物将所有或部分所述第二金属粉末氧化成第二金属氧化物，同时将剩余的多孔二氧化硅还原成多孔硅；以及获得包括多孔硅、第一金属氧化物和第二金属氧化物的第二多孔硅基材料。所述多孔二氧化硅可由硅藻土获得。所述多孔二氧化硅的平均粒径可为100nm至50μm。所述多孔二氧化硅的孔隙的平均直径可为20nm至1μm。所述第一金属粉末不同于第二金属粉末，且它们可各自独立地为铝、镁、钙、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)、硅化钙(Ca2Si)或其组合。所述第一金属粉末或所述第二金属粉末可为铝。所述第一金属粉末和所述第二金属粉末的平均粒径可各自独立地为1μm至100μm。可将25至70重量份的所述第一金属粉末添加至100重量份的所述多孔二氧化硅。可将50至80重量份的所述第二金属粉末添加至100重量份的所述第一多孔硅基材料。混合所述多孔二氧化硅与所述第一金属粉末的步骤可为添加矿物添加剂。混合所述第一多孔硅基材料与所述第二金属粉末的步骤可为添加矿物添加剂。所述矿物添加剂可为氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)或其组合。可通过干混的方法进行混合所述多孔二氧化硅与所述第一金属粉末的步骤。可通过干混的方法进行混合所述第一多孔硅基材料与所述第二金属粉末的步骤。在热处理所述多孔二氧化硅和所述第一金属粉末的混合物时，可在650℃至950℃的温度下进行所述热处理。在热处理所述第二金属粉末和所述第一多孔硅基材料的混合物时，可在650℃至950℃的温度下进行所述热处理。所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物彼此不同，且可各自独立地为MgO、CaO、Al2O3、TiO2、Fe2O3、Fe3O4、Co3O4、NiO、SiO2或其组合。在所述第二多孔硅基材料中，相对于100重量份的所述多孔硅，所述第一金属氧化物的含量和所述第二金属氧化物的含量可各自独立地为1至20重量份。所得第二多孔硅基材料可其中所述多孔硅与所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物均匀混合的形状。所得第二多孔硅基材料可包括所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物的混合物。上述方法还可包括在热处理所述多孔二氧化硅和所述第一金属粉末的混合物后去除所有或部分所述第一金属氧化物的步骤。可使用氯化钠、磷酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、醋酸、氨溶液、过氧化氢或其组合进行去除所有或部分所述第一金属氧化物的步骤。所述方法还可包括在加热所述第一多孔硅基材料和所述第二金属粉末的混合物后去除所有或部分所述第二金属氧化物的步骤。可使用氯化钠、磷酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、醋酸、氨溶液、过氧化氢或其组合进行去除所有或部分所述第二金属氧化物的步骤。所述方法还可在获得所述第二多孔硅基材料的步骤后包括碳涂布步骤。本专利技术的另一个实施方式提供包括多孔硅和氧化铝的多孔硅基负极活性材料，其中所述多孔硅与所述氧化铝均匀混合。所述负极活性材料还可包括多孔二氧化硅、铝粉末或其组合。所述多孔硅的平均粒径可为100nm至50μm。所述氧化铝的平均粒径可为1μm至100μm。基于100重量份的所述多孔硅，所述氧化铝的重量可为1至20重量份。所述负极活性材料还可包括MgO、CaO、TiO2、Fe2O3、Fe3O4、Co3O4、NiO、SiO2或来自其组合的金属氧化物。基于100重量份的所述多孔硅，所述金属氧化物的重量可为1至20重量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备多孔硅基负极活性材料的方法，包括：混合多孔二氧化硅(SiO2)与铝粉末；通过热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物在将所有或部分所述多孔二氧化硅还原成多孔硅(Si)的同时将所有或部分所述铝粉末氧化成氧化铝。

【技术特征摘要】
2013.06.21 KR 10-2013-00717931.一种制备多孔硅基负极活性材料的方法，包括：混合多孔二氧化硅(SiO2)与铝粉末；通过热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物在将所有或部分所述多孔二氧化硅还原成多孔硅(Si)的同时将所有或部分所述铝粉末氧化成氧化铝，其中所述铝粉末的平均粒径为1至100μm，并且其中，对于所得多孔硅基负极活性材料，相对于100重量份的所述多孔硅，所述氧化铝的含量为1至20重量份。2.如权利要求1所述的方法，其中由硅藻土获得所述多孔二氧化硅。3.如权利要求1所述的方法，其中所述多孔二氧化硅的平均粒径为100nm至50μm。4.如权利要求1所述的方法，其中所述多孔二氧化硅的孔隙的平均直径为20nm至1μm。5.如权利要求1所述的方法，其中在混合多孔二氧化硅与铝粉末时，向100重量份的所述多孔二氧化硅添加25至70重量份所述铝粉末。6.如权利要求1所述的方法，其中，在混合多孔二氧化硅与铝粉末时，将矿物添加剂与所述多孔二氧化硅和所述铝粉末混合。7.如权利要求6所述的方法，其中所述矿物添加剂为氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)或其组合。8.如权利要求1所述的方法，其中通过干混方法进行多孔二氧化硅与铝粉末的混合。9.如权利要求1所述的方法，其中，在热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物时，在650℃至950℃的温度下进行热处理。10.如权利要求1所述的方法，其中所得负极活性材料为其中所述多孔硅和所述氧化铝彼此均匀混合的形式。11.如权利要求1所述的方法，其中，在热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物后，还包括去除部分所产生的氧化铝。12.如权利要求11所述的方法，其中通过使用包括盐酸、磷酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、醋酸、氨水、过氧化氢或其组合的溶液来去除部分所产生的氧化铝。13.如权利要求1所述的方法，其中，在热处理所述多孔二氧化硅与所述铝粉末的混合物后，还包括碳涂布。14.一种制备多孔硅基负极活性材料的方法，包括：混合多孔二氧化硅(SiO2)与第一金属粉末、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)和/或硅化钙(Ca2Si)；通过热处理所述多孔二氧化硅与所述第一金属粉末、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)和/或硅化钙(Ca2Si)的混合物在将所有或部分所述多孔二氧化硅还原成多孔硅(Si)的同时将所有或部分所述第一金属粉末、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)和/或硅化钙(Ca2Si)氧化成第一金属氧化物；获得包括所述多孔硅和所述第一金属氧化物的第一多孔硅基材料；混合不同于所述第一金属粉末、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)和/或硅化钙(Ca2Si)的第二金属粉末与所得第一多孔硅基材料；通过热处理所述第二金属粉末、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)和/或硅化钙(Ca2Si)与所述第一多孔硅基材料的混合物在将剩余的多孔二氧化硅还原成多孔硅的同时将所有或部分所述第二金属粉末、硅化铝(AlSi2)、硅化镁(Mg2Si)和/或硅化钙(Ca2Si)氧化成第二金属氧化物；和获得包括所述多孔硅、所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物的第二多孔硅基材料，其中所述第一金属粉末和所述第二金属粉末的平均粒径各自独立地为1至100μm，并且其中，在所述第二多孔硅基材料中，相对于100重量份的所述多孔硅，所述第一金属氧化物和所述第二金属氧化物的含量各自独立地为1至20重量份。15.如权利要求14所述的方法，其中由硅藻土获得所述多孔二氧化硅。16.如权利要求14所述的方法，其中所述多孔二氧化硅的平均粒径为100nm至50μm。17.如权利要求14所述的方法，其中所述多孔二氧化硅的孔隙的平均直径为20nm至...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴寿真，磪信镐，尹智铉，方柄漫，
申请(专利权)人：国立大学法人蔚山科学技术大学校产学协力团，世进技术革新株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR