结构化的粒子制造技术

一种粉末，所述粉末包含带柱状物的粒子，所述带柱状物的粒子用作金属离子电池组的活性组分，所述带柱状物的粒子包括粒子核和多个从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述带柱状物的粒子由原材料粉末形成，其中，所述原材料粉末的总体积的至少10％由具有不大于10微米的粒径的原材料粒子构成。

【技术实现步骤摘要】
结构化的粒子本申请是PCT国际申请日为2012年6月22日，PCT国际申请号为PCT/GB2012/051475，中国国家申请号为201280031212.5并且专利技术名称为“结构化的粒子”的申请的分案申请。专利
本专利技术涉及包含核和从该核延伸的柱状物的粒子、制备所述粒子的方法和所述粒子在可再充电的金属离子电池组中的应用。专利技术背景可再充电的锂-离子电池组广泛地应用于便携式电子装置如移动电话和笔记本中，并且正在发现在电动汽车或混合动力电汽车中日益增加的用途。然而，对于提供每单位质量和/或每单位体积存储更多能量的电池组，存在着正在发展的需要。传统锂-离子可再充电的电池组电池的结构示于图1中。电池组电池包括单一的电池，但是也可以包括多于一个电池。其他金属离子的电池组也是已知的，例如钠离子和镁离子电池组，并且具有基本上相同的电池结构。电池组电池包含用于负极的集流体10，例如铜，和用于正极的集流体12，例如铝，它们两者都是合适时可外部连接到负载或再充电电源的。复合材料负极层14覆盖集流体10，且含锂的金属氧化物基复合材料正极层16覆盖集流体12(为避免任何疑问，在将电池组跨越负载放置的意义上使用如本文所使用的术语“负极”和“正极”——在此意义上，负电极被称为负极且正电极被称为正极)。正极包含能够释放和再吸收锂离子的材料，例如锂基金属氧化物或磷酸盐、LiCoO2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiMnxNixCo1-2xO2或LiFePO4。在石墨基复合材料负极层14和含锂的金属氧化物基复合材料正极层16之间，设置多孔的塑料隔离片或隔板20。将液体电解质材料分散在多孔的塑料隔离片或隔板20、复合材料负极层14和复合材料正极层16内部。在一些情况下，可以用聚合物电解质材料替换多孔的塑料隔离片或隔板20，并且在这样的情况下，聚合物电解质材料在复合材料负极层14和复合材料正极层16两者内部存在。聚合物电解质材料可以是固体聚合物电解质或凝胶型聚合物电解质，并且可以将隔板并入。当电池组电池充满电时，锂已经被从含锂的金属氧化物正极层16经由电解质输送到了负极层14中。在石墨基负极层的情况下，锂与石墨反应而形成化合物LiC6。石墨，作为在复合材料负极层中的电化学活性材料，具有372mAh/g的最大容量。(如本文所使用的“活性材料”或“电活性材料”表示一种这样的材料，其在电池组的分别的充电阶段和放电阶段，能够将金属离子如锂、钠、钾、钙或镁插入其结构中和从其中释放。优选地，该材料能够插入并且释放锂)。硅基活性负极材料的应用在本领域也是已知的。硅具有比石墨显著更高的最大容量。然而，不像在金属离子的插入和释放过程中保持基本上不被改变的活性石墨，向硅中插入金属离子的过程导致实质的结构改变，伴有显著的膨胀。例如，锂离子向硅中的插入导致Si-Li合金的形成。在例如“用于可再充电的锂电池组的插入电极材料(InsertionElectrodeMaterialsforRechargeableLithiumBatteries)”，Winter等，Adv.Mater.1988，10，第10期，725-763页中，描述了Li离子插入对负极材料的影响。WO2009/010758公开了为了使硅材料用于锂离子电池组中，侵蚀硅粉末。所得的已侵蚀的粒子在它们的表面上含柱状物。可以通过侵蚀初始尺寸为10至1000微米的粒子，制备带柱状物的粒子。WO2010/040985公开了侵蚀平均粒径在5-500微米范围内的粒子的方法。US7402829公开了侵蚀硅基板以形成从硅基板延伸出的硅柱状物的阵列。JP2004281317公开了通过在基板上气相沉积生长硅纳米线，用于锂离子电池组负极中。US2010/0285358公开了在基板上生长的硅纳米线，用于锂离子蓄电池中。US2010/0297502公开了在碳粒子上生长的硅纳米线，用于锂离子蓄电池中。US2008/0261112公开了连接硅粒子的缠绕的硅纳米线的网络，用于锂离子电池组负极中。WO2011/117436公开了碳纳米纤维，其包括许多从碳纳米纤维的表面延伸出的晶须。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面中提供了一种粉末，所述粉末包含带柱状物的粒子，所述带柱状物的粒子用作金属离子电池组的活性组分，所述带柱状物的粒子包括粒子核和多个从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述带柱状物的粒子由原材料粉末形成，其中，所述原材料粉末的总体积的至少10％由具有不大于10微米的粒径的原材料粒子构成。任选地，所述柱状物由在使用中在所述金属离子电池组的金属离子完全插入该材料后经历至少10％的体积膨胀的材料形成。任选地，所述柱状物包含硅。任选地，所述核包含硅或碳。任选地，所述柱状物的体积为所述多个粒子的总体积的至少20％，任选地至少40％。任选地，所述带柱状物的粒子的BET值小于200m2/g，任选地小于100m2/g，任选地小于60m2/g，任选地小于35m2/g。任选地，所述粒子核的纵横比为至少2∶1。任选地，在所述粒子核上所述柱状物的平均柱状物密度在10-80％的范围内。任选地，中值平均柱状物直径小于80nm。任选地，所述粒子的相反的表面携带柱状物。任选地，所述柱状物的平均长度小于5微米，任选地小于4微米。任选地，所述粒子的两个相反表面中的仅一个携带柱状物。任选地，所述柱状物的平均长度小于10微米，任选地小于8微米。任选地，所述粒子是基本上彼此离散的。任选地，所述原材料粉末的总体积的至少50％由具有小于15微米的粒径的原材料粒子构成。任选地，所述原材料粉末的总体积的至少90％由具有小于25微米的粒径的原材料粒子构成。任选地，所述粒径是通过激光衍射方法测量的，在所述激光衍射方法中，被测量的粒子被假设为球形，且在所述激光衍射方法中，粒径表示为球形等效体积直径。所述粉末可以基本上由所述带柱状物的粒子组成，或者，它可以是包含一种或多种另外的组分的组合物的一部分。因此，在本专利技术的第二方面中，提供一种组合物，所述组合物包含根据第一方面所述的粉末和至少一种另外的组分。任选地，根据第二方面，所述至少一种另外的组分包含至少一种另外的活性组分，任选地为活性碳，任选地为石墨。任选地，根据第二方面，所述至少一种另外的组分包含至少一种导电的非活性的组分，任选地为导电的非活性的碳。任选地，根据第二方面，所述至少一种另外的组分包含粘结剂。任选地，根据第二方面，所述组合物具有复合材料孔隙率，所述复合材料孔隙率至少为由柱状物的体积乘以2与粒子核的体积乘以1.2之和以该复合材料的总体积的百分数的形式所给出的值。任选地，根据第二方面，所述至少一种另外的组分包含溶剂。在本专利技术的第三方面中，提供了一种金属离子电池组，所述金属离子电池组包含负极、正极和在所述负极与正极之间的电解质，其中，所述负极包含根据第一方面所述的粉末或根据第二方面所述的组合物。任选地根据第三方面，所述金属离子电池组是锂离子电池组。在本专利技术的第四方面中，提供了一种形成根据第三方面所述的金属离子电池组的方法，所述方法包括通过沉积根据第二方面所述的组合物并蒸发所述溶剂形成所述负极的步骤。在本专利技术的第五方面中，提供了一种形成根据第一方面所述的粉末的方法，所述方法包括侵蚀所述原材料粉末的粒子以形成所述带柱状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粉末，所述粉末包含带柱状物的粒子，所述带柱状物的粒子用作金属离子电池组的活性组分，所述带柱状物的粒子包括粒子核和多个从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述带柱状物的粒子由原材料粉末形成，其中，所述原材料粉末的总体积的至少10％由具有不大于10微米的粒径的原材料粒子构成。

【技术特征摘要】
2011.06.24 GB 1110785.11.一种粉末，所述粉末包含带柱状物的粒子，所述带柱状物的粒子用作金属离子电池组的活性组分，所述带柱状物的粒子包括粒子核和多个从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述带柱状物的粒子由原材料粉末形成，其中，所述原材料粉末的总体积的至少10％由具有不大于10微米的粒径的原材料粒子构成。2.根据权利要求1所述的粉末，其中，所述柱状物由在使用中在所述金属离子电池组的金属离子完全插入该材料后经历至少10％的体积膨胀的材料形成。3.根据权利要求1或2所述的粉末，其中，所述柱状物包含硅。4.根据权利要求1、2或3所述的粉末，其中，所述核包含硅或碳。5.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述柱状物的体积为所述多个粒子的总体积的至少20％，任选地至少40％。6.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述带柱状物的粒子的BET值小于200m2/g，任选地小于100m2/g，任选地小于60m2/g，任选地小于35m2/g。7.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述粒子核的纵横比为至少2∶1。8.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，在所述粒子核上的所述柱状物的平均柱状物密度在10-80％的范围内。9.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，中值平均柱状物直径小于80nm。10.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述粒子的相反的表面携带柱状物。11.根据权利要求10所述的粉末，其中，所述柱状物的平均长度小于5微米，任选地小于4微米。12.根据权利要求1-9中任一项所述的粉末，其中，所述粒子的两个相反表面中的仅一个携带柱状物。13.根据权利要求12所述的粉末，其中，所述柱状物的平均长度小于10微米，任选地小于8微米。14.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述粒子基本上是彼此离散的。15.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述原材料粉末的总体积的至少50％由具有小于15微米的粒径的原材料粒子构成。16.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述原材料粉末的总体积的至少90％由具有小于25微米的粒径的原材料粒子构成。17.根据任一项在前权利要求所述的粉末，其中，所述粒径是通过激光衍射方法测量的，在所述激光衍射方法中，被测量的粒子被假设为球形，且在所述激光衍射方法中，粒径表示为球形等效体积直径。18.一种组合物，所述组合物包含根据任一项在前权利要求所述的粉末和至少一种另外的组分。19.根据权利要求18所述的组合物，其中，所述至少一种另外的组分包括：至少一种另外的活性组分，任选为活性碳，任选为石墨。20.根据权利要求18或19所述的组合物，其中，所述至少一种另外的组分包括：至少一种导电的非活性组分，任选为导电的非活性碳。21.根据权利要求18-20中任一项所述的组合物，其中，所述至少一种另外的组分包括粘结剂。22.根据权利要求18-21中任一项所述的组合物，其中，所述组合物具有复合材料孔隙率，所述复合材料孔隙率至少为由柱状物的体积乘以2与粒子核的体积乘以1.2之和以该复合材料的总体积的百分数的形式所给出的值。23.根据权利要求18-22中任一项所述的组合物，其中，所述至少一种另外的组分包括溶剂。24.一种金属离子电池组，所述金属离子电池组包括负极、正极和在所述负极与正极之间的电解质，其中，所述负极包含根据权利要求1-17中任一项所述的粉末或根据权利要求18-23中任一项所述的组合物。25.根据权利要求24所述的金属离子电池组，其中，所述金属离子电池组是锂离子电池组。26.一种形成根据权利要求24或25所述的金属离子电池组的方法，所述方法包括通过沉积根据权利要求23所述的组合物并蒸发所述溶剂而形成所述负极的步骤。27.一种形成根据权利要求1-17中任一项所述的粉末的方法，所述方法包括侵蚀所述原材料粉末的粒子以形成所述带柱状物的粒子的步骤。28.根据权利要求27所述的方法，其中，柱状物的中值平均长度小于5微米。29.一种形成根据权利要求1-17中任一项所述的粉末的方法，所述方法包括在所述原材料粉末的粒子上生长柱状物的步骤。30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述柱状物生长在所述原材料粉末的粒子的仅一个表面上。31.一种粉末，所述粉末包含带柱状物的粒子，所述带柱状物的粒子用作金属离子电池组的活性组分，所述带柱状物的粒子包括粒子核和多个从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述粉末的总体积的至少10％由具有不大于10微米的粒径的粒子构成。32.根据权利要求31所述的粉末，其中，所述粉末的总体积的至少50％由具有小于15微米的粒径的粒子构成。33.根据权利要求31或32所述的粉末，其中，所述粉末的总体积的至少90％由具有小于25微米的粒径的粒子构成。34.一种用作金属离子电池组的活性组分的粒子，所述粒子包括粒子核和从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述粒子核的纵横比为至少2∶1。35.一种用作金属离子电池组的活性组分的粒子，所述粒子包括粒子核和从所述粒子核延伸出的柱状物，其中，所述粒子的至少一维小于10微米。36.一种粉末，所述粉末包含带柱状物的粒子，所述带柱状物的粒子用作金属离子电池组的活性组分，其中，所述带柱状物的粒子包括粒子核和多个从所述粒子核延伸出的柱状物，且其中，所述粉末的BET值小于200m2/...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯·弗兰德，威廉·詹姆斯·麦克林，姜宇雄，马姆杜·埃塞伊德·阿卜杜勒萨拉姆，刘丰明，菲尔·雷纳，
申请(专利权)人：奈克松有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB