本实用新型专利技术提供了一种用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述电极包括：导电性集电基板；置于所述导电性集电基板上的复合电极材料层，所述复合电极材料层包含微粒和粘合剂；其中：所述微粒包含多个包含一次粒子组件的多孔二次粒子，其中所述一次粒子包含多孔前体的碎片或者由多孔前体的碎片组成，所述多孔前体的碎片包含选自硅、锡、锗、铝或其混合物的电活性材料；并且所述多孔二次粒子具有至少1μm且不大于25μm的D50粒径。本实用新型专利技术还提供了包含该电极的可再充电金属离子电池。
【技术实现步骤摘要】
本申请总体上涉及用于可再充电的金属离子电池的电极。
技术介绍
可再充电的金属离子电池广泛地用于便携式电子装置如移动电话和膝上型电脑，并且对于可以用于电动车辆或混合动力车辆的可再充电电池存在增加的要求。可再充电的金属离子电池通常包括阳极、阴极、在阳极和阴极之间传输金属离子的电解质，以及设置在阳极和阴极之间的电绝缘多孔隔膜。阴极典型包括提供有含金属离子的金属氧化物基复合材料的层的金属集电体，而阳极典型包括提供有电活性材料的层的金属集电体，所述电活性材料在本文中被定义为在电池的充电和放电期间能够嵌入或脱嵌金属离子的材料。为了避免疑义，术语“阴极”和“阳极”在本文中以这样的意义使用，即跨过负载放置电池，以使阴极是阴极，而阳极是阳极。当对金属离子电池进行充电时，金属离子被从含有金属离子的阳极层经由电解质传送到阳极，并且嵌入到阳极材料中。在本文中使用的术语“电池”不仅是指容纳单个阳极和单个阴极的装置，而且还指容纳多个阳极和/或阴极的装置。对于可再充电的金属离子电池的重量和/或体积容量方面的改进存在需求。当与其他电池技术进行比较时，锂离子电池的使用已经提供了显著的改进，但是仍存在进一步改进的余地。截止目前，商业锂离子电池大大地局限于使用石墨作为阳极活性材料。当对石墨阳极进行充电时，锂嵌入到石墨层之间以形成具有经验式LiXC6(其中x大于0并且小于或等于1)的材料。因此，在锂离子电池中石墨具有372mAh/g的最大理论容量，并且实际容量稍微更低(约340至360mAh/g)。其他材料，如硅、锡和锗，能够以比石墨显著更高的容量嵌入锂， 但是归因于难以在众多次充电/放电循环过程中保持充分的容量而没有得到广泛的商业使用。特别地，就具有高重量和体积容量的可再充电的金属离子电池的制造而言，由于其对于锂的非常高的容量，硅作为用于石墨的潜在备选方案而引起了增加的注意(参见，例如Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries(用于可再充电的锂电池的嵌入电极材料)，Winter，M等，Adv.Mater.1998，10，No.10)。在室温，硅在锂离子电池中具有约3,600mAh/g的理论容量(基于Li15Si4)。然而，其作为阳极材料的用途由于在充电和放电时的大的体积变化而复杂化。锂在块状硅中的嵌入导致硅材料的体积相对于在其最大容量的初始体积增加至多400％。重复的充电-放电循环导致硅材料中显著的机械应变，从而导致硅阳极材料的破裂和分层。阳极材料和集电体之间的电接触的损失导致在随后的充电-放电循环中的显著容量损失。硅作为金属离子电池中电活性材料的使用还由于在电池的第一次充电-放电循环期间在阳极表面处的固体电解质相间(SEI)层的形成而复杂化。SEI层由于在第一次充电循环期间在硅的表面处的电解质的反应所致而形成，并且认为，该反应性可以归因于金属锂在硅表面处的积累，所述积累是由于锂到硅的块体中的低扩散速率所致。在第一次充电-放电循环期间的SEI层的形成可以消耗显著量的来自电解质的金属离子(在本文中称为“第一循环损失”，或“FCL”)，因此在随后的充电-放电循环中耗尽电池的容量。此外，在随后的充电-放电循环期间的硅的任何破裂或分层将暴露新鲜的硅表面，所述暴露的新鲜的硅表面然后形成SEI层，进一步耗尽电池的容量。锗作为阳极活性材料的使用在现有技术中是已知的。锗的优点在于其具有比硅更高的电子传导性(高若干数量级)和较高的锂扩散速率(高约102倍)，因此使得其不太受SEI层的形成的影响。然而，锗的使用也存在某些缺点。锗不仅比硅明显更贵，而且归因于锗的更高的原子量，锗在锂离子电池中的理论最大重量容量为约1625mAh/g，小于硅的一半。与硅相同，通过锗的金属离子的嵌入和脱嵌与大的体积变化相关(当将锗锂化至其最大容量时，至多370％)。与锗材料相关的机械应变会导致阳极材料的破裂 和分层以及容量损失。已经提出了许多方案来克服与当将含硅阳极充电时观察到的与体积变化相关的问题。这些通常涉及能够比块体硅更好地耐受体积变化的硅结构。例如，Ohara等(Journal of Power Sources 2004，136，303-306)描述了将硅作为薄膜蒸发到镍箔集电体上以及使用该结构作为锂离子电池的阳极。尽管该方法提供了良好的容量保持率，但是该薄膜结构没有提供有用量的容量/单位面积，并且当膜厚度增加时，消除了任何的改进。WO2007/083155公开了，通过使用具有高纵横比(即，粒子的最大尺寸与最小尺寸的比率)的硅粒子，可以获得改进的容量保持率。认为高的纵横比，其可以为高至100以上，有助于在充电和放电期间改善大的体积变化，同时不损害粒子的物理完整性。另一种方法涉及使用硅结构，所述硅结构包括空隙空间以提供用于当将锂嵌入到硅中时出现的膨胀的缓冲区。例如，US 6,334,939和US 6,514,395公开了用于在锂离子二次电池中用作阳极材料的硅基纳米结构。这样的纳米结构包括笼状球形粒子以及直径在1至50nm的范围内并且长度在500nm至10μm的范围内的棒或线。WO 2012/175998公开了包含从粒子核心延伸出的多个含硅柱状物的粒子，其可以例如通过化学蚀刻或溅射方法形成。也已经研究了将多孔硅粒子用于锂离子电池。如本文中使用的术语“多孔粒子”应当被理解为是指包括结构单元的粒子，其中在所述结构单元之间限定了互相连接的空隙空间或通道。多孔粒子还可以包括完全被结构单元或壁封闭的不同的个体空隙空间。多孔硅粒子对于在金属离子电池中的使用是吸引人的备选物，因为制备这些粒子的成本通常低于制备备选的硅结构如硅纤维、带状物或柱状粒子的成本。多孔粒子的孔结构导致形成孔边界和孔壁的精细硅单元的网络，并且这些结构单元可以充分细小，以承受重复充电和放电循环的机械应变。此外，多孔粒子的孔隙提供了空隙空间以容纳在金属离子嵌入期间电活性材料的膨胀，从而避免电极层的过度膨胀。US 2009/0186267公开了一种用于锂离子电池的阳极材料，所述阳极材料包含分散在导电性基体中的多孔硅粒子。所述多孔硅粒子具有在1至 10μm范围内的直径，在1至100nm范围内的孔径，在140至250m2/g范围内的BET表面和在1至20nm范围内的晶体尺寸。将该多孔硅粒子与导电性材料如炭黑和粘合剂如PVDF混合以形成电极材料，所述电极材料可以涂覆至集电体以提供电极。US 7,479,351公开了含有微晶硅并且粒径在0.2至50μm范围内的含多孔硅的粒子。该粒子通过下列方法得到：将硅与选自下列各项的元素X形成合金：Al、B、P、Ge、Sn、Pb、Ni、Co、Mn、Mo、Cr、V、Cu、Fe、W、Ti、Zn、碱金属、碱土金属及其组合；随后通过化学处理除去元素X。另外的方法涉及使用分散在碳基体中的纳米尺寸硅粒子。例如，Jung等(Nano Letters，2013，13，2092-2097)描述了包含嵌入到多孔碳基体中的硅纳米粒子的硅-碳复合粒子。所述复合粒子通过喷雾干燥硅纳米粒子(平均直径70nm)、二氧化硅纳米粒子(平均直径10nm)和蔗糖的水性悬浮液以形成Si/二氧化硅/蔗糖复合球本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述电极包括：导电性集电基板；置于所述导电性集电基板上的复合电极材料层，所述复合电极材料层包含微粒和粘合剂；其中：所述微粒包含多个包含一次粒子组件的多孔二次粒子，其中所述一次粒子包含多孔前体的碎片或者由多孔前体的碎片组成，所述多孔前体的碎片包含选自硅、锡、锗、铝或其混合物的电活性材料；并且所述多孔二次粒子具有至少1μm且不大于25μm的D50粒径。
【技术特征摘要】
2015.03.16 GB 1504367.21.一种用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述电极包括：导电性集电基板；置于所述导电性集电基板上的复合电极材料层，所述复合电极材料层包含微粒和粘合剂；其中：所述微粒包含多个包含一次粒子组件的多孔二次粒子，其中所述一次粒子包含多孔前体的碎片或者由多孔前体的碎片组成，所述多孔前体的碎片包含选自硅、锡、锗、铝或其混合物的电活性材料；并且所述多孔二次粒子具有至少1μm且不大于25μm的D50粒径。2.根据权利要求1所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述多孔二次粒子具有在1.2至24μm范围内的D50粒径。3.根据权利要求1或2所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述碎片具有在300nm至10μm范围内的D50粒径。4.根据权利要求1或2所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述碎片具有至少100nm的D10粒径。5.根据权利要求1或2所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述碎片具有不大于15μm的D90粒径。6.根据权利要求1或2所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述碎片具有5以下的碎片尺寸分布跨度。7.根据权利要求1或2所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述碎片包含多个具有在10nm至500nm范围内的平均最小尺寸的细长结构元件。8.根据权利要求1或2所述的用于金属离子电池的电极，其特征在于，所述碎片包含多个具有至少2∶1...
【专利技术属性】
技术研发人员：利萨·墨菲，弗里茨·威廉·韦尼克，查尔斯·马松，克里斯托弗·迈克尔·弗兰德，
申请(专利权)人：奈克松有限公司，
类型：新型
国别省市：英国;GB
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