用于锂离子电池的含硅颗粒的阳极材料制造技术

本发明专利技术的一个方面涉及用于锂离子电池的阳极材料，该阳极材料基于硅颗粒、一种或多种粘合剂、可选的石墨、可选的一种或多种另外的导电组分、和可选的一种或多种添加剂，其特征在于，该硅颗粒并不聚集并且具有在直径百分位数d10≥0.2μm和d90≤20.0μm之间以及宽度d90‑d10≤15μm的体积加权粒度分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的含硅颗粒的阳极材料本专利技术涉及含有硅颗粒的阳极材料(负极材料，anodematerial)、其用于生产锂离子电池的用途以及可以这种方式获得的锂离子电池。现今可充电锂离子电池是具有例如高达250Wh/kg的最高重量能量密度(highestgravimetricenergydensity)的实用的电化学能量存储器。它们首要地用于便携式电子装置的领域中，用于工具并且还用于电动力运输装置(electricallypoweredtransportmeans)，例如自行车或汽车。然而，特别地对于在汽车中使用，需要实现电池能量密度的进一步显著增加，以便获得车辆的较长的电力范围(电灶)。目前，石墨碳广泛作为用于锂离子电池的负极(“阳极(anode)”)的材料。在锂的结合(嵌入)和释放期间，即，在电池的充电和放电期间，石墨碳有利地仅经历较小的体积变化，例如，对于LiC6的限制化学计量在10％的范围内。然而，缺点是其理论上每克石墨不超过372mAh的相对低的电化学容量，其对应于在使用锂金属时理论上可达到的电化学容量的仅约十分之一。为此，长期以来特别是在与锂形成合金的(半)金属的领域中寻找用于阳极的可替代材料。此时挑战经常是在将锂结合到形成合金的(半)金属中或从形成合金的(半)金属中释放锂的过程中较大的体积膨胀，其大于200％，有时甚至最高达300％。硅与锂形成二元电化学活性合金并且这些合金可具有非常高的锂含量。在Li4.4Si中发现已知的最大锂含量，其对应于在每克硅4200mAh的区域中的非常高的理论比容量。不利的是，将锂结合到硅中和从硅中释放锂与能够达到300％的非常大的体积变化相关联。这种体积膨胀导致微晶的较高机械应力，该机械应力最终导致它们分开。该过程被称为电化学研磨(electrochemicalmilling)，导致活性物质中和电极结构中电接触的损失，由此导致具有容量损失的电极破坏。在多个充放电循环过程中容量的减小称为衰减(fading)或连续容量降低，并且通常是不可逆的。例如，微米级硅和碳的混合物产生具有大于2000mAh/g的非常高初始容量的相应电极，但这些经受明显的衰减。为了降低机械应力，从而防止电化学研磨，经常推荐使用纳米尺寸的硅颗粒用于锂离子电池的阳极。关于纳米尺寸硅颗粒的尺寸和形状，在文献中在多个方向上给出了教导。因此，经常描述基于具有例如<0.2μm的平均粒径的纳米尺寸或纳米结构的硅颗粒的阳极材料。EP1730800教导了用于锂离子电池的电极材料，该电极材料含有纳米尺寸的硅颗粒，该纳米尺寸的硅颗粒具有5-200nm的平均初级粒径并连接在一起以形成具有高达1000nm的尺寸的聚集体。WO2014/202529也推荐了具有在直径百分位数(diameterpercentile)d10>20nm和d90<2000nm之间的体积加权粒度分布的用于锂离子电池的电极材料的纳米尺寸硅颗粒。例如，具体公开了80nm和120nm的d10值以及190nm和150nm的d50值。在电源杂志(JournalofPowerSources)，256，2014，第32-36页中，M.Gauthier讨论了包含硅颗粒的阳极材料，该硅颗粒的特征在于非常宽的多峰尺寸分布并且包括例如在40nm范围内的纳米尺寸颗粒和相当大比例的具有>>30μm直径的粗颗粒。所描述的半电池还不能实现实践中所需的库仑效率。含有粗硅颗粒的电极材料例如从US2003235762中是已知的，并且这些颗粒具有至少60体积％的粒径为1至10μm的硅颗粒含量。US2003235762并未说明关于硅颗粒的生产方法，因此也并未隐含地公开硅颗粒的颗粒形状或球形度，特别是没有未聚集的硅颗粒。聚集的和未聚集的硅颗粒不能通过通常用于确定颗粒直径的静态光散射区分。US2009305129的活性物质含有通过气相法生产的微晶尺寸<100nm并且粒度为7-25μm的硅颗粒。US2005/0214646的锂离子电池的硅颗粒具有1μm的平均粒径。US2005/0214646并未提及硅颗粒的粒度分布和生产。US2005/0214646建议充电电池的阳极材料的锂/硅比不大于4.0。具体描述了例如3.5以上的摩尔Li/Si比。JP4911835教导了在2.3-4.0范围内的充电锂离子电池的阳极材料的Li/Si比。先前已知的纳米尺寸的硅颗粒继续导致锂离子电池中较高的初始和连续容量损失。其原因是在锂离子电池的充电和放电期间由硅颗粒经历的体积变化以及相关的阳极的机械磨损。此外，硅阳极材料的表面与电解质的组分反应，连续形成钝化保护层(固体电解质界面；SEI)，其导致锂的固定。由于硅经历的体积变化，这些钝化保护层仅部分稳定，使得在每个充电/放电循环过程中固定一定量的锂。由于对应于可用容量的在全电池中的可移动锂的量受阴极材料的限制，所以这被快速消耗并且在过少循环后电池容量下降。在连续循环期间锂离子电池的可逆容量的降低也称为衰减。考虑到该背景，本专利技术的一个目的是提供用于锂离子电池的阳极材料，在全电池中该阳极材料具有较高的可逆容量，如果可能的话，同时具有在第一次循环中获得的仅较小的不可逆容量损失以及在后续循环中实现的具有非常少衰减的稳定电化学行为。另一个目的是提供在反复充电和放电过程中具有令人满意的机械稳定性的用于锂离子电池的阳极材料。该目的已经出乎意料地通过根据本专利技术的包含具有粒度分布的未聚集的硅颗粒的阳极材料实现。当操作使用根据本专利技术的阳极材料生产的锂离子电池使得在完全充电的电池中阳极材料仅部分锂化时，能够甚至更好地实现该目的。本专利技术提供了用于锂离子电池的阳极材料(负极材料，anodematerial)，该阳极材料基于硅颗粒、一种或多种粘合剂、可选的石墨、可选的一种或多种另外的导电组分和可选的一种或多种添加剂，其特征在于：硅颗粒是未聚集的并且具有在直径百分位数(diameterpercentile)d10≥0.2μm和d90≤20.0μm之间以及宽度d90-d10≤15μm的体积加权粒度分布。本专利技术进一步提供了本专利技术的阳极材料用于生产锂离子电池的用途。本专利技术进一步提供了包括基于根据本专利技术的阳极材料的阳极的锂离子电池。为了本专利技术的目的，阳极材料是基于多种物质的混合物并且允许通过氧化或还原反应将电化学能量存储在电池中或从电池中取出的电极材料。在进行氧化电化学反应时在充电电池中提供能量的电极材料被称为阳极材料或被称为负极材料。硅颗粒的体积加权粒度分布(volume-weightedparticlesizedistribution)优选在直径百分位数d10≥0.2μm和d90≤20.0μm之间，特别地优选在d10≥0.2μm和d90≤10.0μm之间，并且最优选d10≥0.2μm至d90≤5.0μm。硅颗粒具有直径百分位数d10优选≤10μm，特别地优选≤5μm，甚至更优选≤3μm，并且最优选≤1μm的体积加权粒度分布。硅颗粒具有直径百分位数d90优选≥0.5μm，并且特别优选≥5μm的体积加权粒度分布。硅颗粒的体积加权粒度分布具有优选≤15.0μm，更优选≤12.0μm，甚至更优选≤10.0μm，特别优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂离子电池的阳极材料，所述阳极材料基于硅颗粒、一种或多种粘合剂、可选的石墨、可选的一种或多种另外的导电组分和可选的一种或多种添加剂，其特征在于，所述硅颗粒是未聚集的并且具有在直径百分位数d10≥0.2μm和d90≤20.0μm之间以及宽度d90‑d10≤15μm的体积加权粒度分布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.12 DE 102015215415.71.一种用于锂离子电池的阳极材料，所述阳极材料基于硅颗粒、一种或多种粘合剂、可选的石墨、可选的一种或多种另外的导电组分和可选的一种或多种添加剂，其特征在于，所述硅颗粒是未聚集的并且具有在直径百分位数d10≥0.2μm和d90≤20.0μm之间以及宽度d90-d10≤15μm的体积加权粒度分布。2.根据权利要求1所述的阳极材料，其特征在于，所述硅颗粒具有直径百分位数d10≤10μm的体积加权粒度分布。3.根据权利要求1或2所述的阳极材料，其特征在于，所述硅颗粒具有直径百分位数d90≥0.5μm的体积加权粒度分布。4.根据权利要求1-3中任一项所述的阳极材料，其特征在于，所述硅颗粒具有体积加权粒度分布，所述体积加权粒度分布具有宽度d90-d10≥0.6μm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡·豪菲，
申请(专利权)人：瓦克化学股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE