复合电极材料及其制作方法、复合电极、以及锂电池技术

本发明专利技术提供了一种新颖的复合电极材料及其制作方法、使用此复合电极材料制得的复合电极、及包含此复合电极的锂电池，其中，本发明专利技术的复合电极材料包含：一核心，该核心的材料为至少一选自由Sn、Sb、Si、Ge、C、及其化合物所组成的群组；以及一纳米碳管或一碳纤维，其中，该纳米碳管或该碳纤维成长于一表面，该表面包括该核心的表面。

【技术实现步骤摘要】
复合电极材料及其制作方法、复合电极、以及锂电池
本专利技术涉及一种复合电极材料及其制作方法、包含该复合电极材料的复合电极、以及包含该复合电极的锂电池，尤其涉及一种以纳米碳管或碳纤维成长于硅表面并包覆的硅纳米颗粒作为复合电极材料及其制作方法、包含该复合电极材料的复合电极、以及包含该复合电极的锂电池。
技术介绍
锂离子电池因具有高工作电压、高能量密度、高功率、存储寿命长、和多次充电和放电等优点，被视为现今最有效存储能源的方式之一。目前，商业上所使用的锂离子电池阳极材料大多为石墨，其理论电容值约为372mAhg-1，然而，因首次充电后表面会形成固态电解质膜(solidelectrolyteinterphase，SEI)，造成不可逆的电容流失，因此实际上电容值会低于理论值。重复充电和放电的过程，也会造成层和层石墨结构间的缝隙，以致分离破碎，失去电容量。随着科技发展，单纯的石墨电极已无法符合大众需求。硅因具有高达4200mAhg-1的理论电容值，近年来尤其受到重视，然而，硅的充放电过程造成约高达420％的体积变化率，因此容易造成硅本身粉化(pulverization)碎裂，破碎硅之间失去导电性接触，导致锂离子无法顺利嵌入和脱嵌，电容量因而减少。同时，碎裂的硅所形成新的表面会消耗电解液并与之反应生成新的SEI膜，多次充放电后，电池内部电解液持续消耗并不断累积新的SEI膜，导致电池寿命缩短。因此，目前急需要发展一种复合电极材料，还能克服重复充放电后带来的缺陷，以提升锂离子电池的电池寿命，也需要能拥有高电容值。
技术实现思路
本专利技术主要提供了一种新颖的复合电极材料及其制作方法、包含该复合电极材料的复合电极、以及包含该复合电极的锂电池。其中，本专利技术的新颖复合电极材料使用一种以纳米碳管(carbonnanotubes，CNT)或碳纤维(carbonfibers，CF)包覆的硅或以硅为主要成分的化合物的纳米颗粒，使锂电池经过多次充放电后仍能维持良好的电池容量、效率及循环寿命。本专利技术提供了一种复合电极材料，包含：一核心，该核心的材料为至少一选自由Sn、Sb、Si、Ge、C、及其化合物所组成的群组；以及一纳米碳管或一碳纤维，其中，该纳米碳管或该碳纤维成长于一表面，该表面包含该核心的表面，该表面也可包含其他纳米碳管或碳纤维的表面，形成包覆核心的多孔洞三度空间的碳结构。本专利技术提供了一种复合电极材料的制作方法，包含下列步骤：提供一核心，该核心的材料为至少一选自由Sn、Sb、Si、Ge、C、及其化合物所组成的群组；以一催化剂通过化学气相沉积法(chemicalvapordeposition)，于一表面成长一纳米碳管或一碳纤维，其中，该表面包括该核心的表面。该纳米碳管或该碳纤维的表面，可通过该催化剂通过化学气相沉积法，再成长另一纳米碳管或另一碳纤维，形成包覆核心的多孔洞三度空间的碳结构。在本专利技术的复合电极材料及其制作方法中，所使用的核心材料较佳为Si，如此可提供高电容值。核心的形状和大小并无特别限制，较佳为该核心为一扁平状颗粒，因扁平状硅颗粒较具弹性、可挠性，在充放电过程中不易破碎；且扁平状硅颗粒的表面积远小于将该扁平状硅颗粒碎裂后所形成的总体积相同的其他形状的多数硅颗粒，例如圆形、方形等，因此消耗用于硅表面形成SEI膜的电解液较少，有利延长电池寿命。核心的尺寸并无特别限制，其中该扁平状核心厚度可为50nm至500nm，较佳为50nm至250nm，和/或该核心长宽平均可为100nm至9μm，较佳为500nm至1200nm。此外，该纳米碳管或该碳纤维垂直或以各种角度直立成长于该核心的表面，且多余的纳米碳管或碳纤维也可成长于其他纳米碳管或碳纤维上，形成包覆硅颗粒的纳米碳管或碳纤维的三度空间(3D)多孔(porous)网状或海绵状(sponge)结构。该3D多孔纳米碳管或碳纤维的结构具有多重、多方向膨胀收缩的缓冲功能，可以减少硅颗粒在充放电循环中因硅体积变化所导致的破碎。且因电子可以沿着导电的纳米碳管或碳纤维传导而提升传导路径的效率，因此即使硅颗粒在充放电循环中破碎成更小的颗粒，破碎颗粒上的纳米碳管或碳纤维也可提供额外所需的导电路径，使硅颗粒连接至相邻的硅颗粒及电池的集电器(currentcollector)。同时，纳米碳管或碳纤维也可保护硅避免其过度与电解液反应，可维持高电极容量及提升电池循环寿命。在本专利技术的复合电极材料的制作方法中，该化学气相沉积法可包含：以一旋转或搅拌机构均匀混合，使纳米碳管或碳纤维更均匀地成长于各个核心上。在此，旋转或搅拌的速率无特殊限制，可依照所使用的旋转或搅拌机构而改变，只要能使纳米碳管或碳纤维可均匀成长于各个核心上即可。此外，该化学气相沉积法的实施条件并无特殊限制，可以依据所欲成长出的纳米碳管或碳纤维的外型及尺寸进行调整。本专利技术的化学气相沉积法并无特别限制，可使用本领域已知的任何化学气相沉积法，例如热化学气相沉积法(thermalchemicalvapordeposition)、等离子体辅助化学气相沉积法(plasmachemicalvapordeposition)等，只要能使纳米碳管或碳纤维成长于各个核心上即可。在本专利技术的一实施方案中，将二茂铁(ferrocene)蒸气渗透进硅纳米颗粒的间隙，覆盖在硅表面作为催化剂，再以樟脑(camphor)蒸气作为碳源渗透至附有二茂铁的硅纳米颗粒的间隙，通过热化学气相沉积法在硅纳米颗粒表面经催化剂协助下成长纳米碳管或碳纤维。本专利技术的另一实施方案中，预先均匀混合硅纳米颗粒及二茂铁粉末，并将其放入腔体(chamber)中使硅纳米颗粒镀上二茂铁，再将镀有二茂铁的硅纳米颗粒与樟脑粉末混合，在腔体中使纳米碳管或碳纤维成长于硅纳米颗粒上。本专利技术的另一实施方案中，硅纳米颗粒、二茂铁粉末、及樟脑粉末三者也可预先均匀混合，并将其放入腔体(chamber)中，在腔体中使纳米碳管或碳纤维成长于硅纳米颗粒上。其中，可使用Fe、Mo、Ni、Pt、Co等来源作为催化剂，较佳为使用铁源作为催化剂；且更佳为室温下为固体，且具有低温下高挥发度的含铁源，在加热后可以气态方式存在于反应腔体中，例如氯化铁、二茂铁等，但本专利技术并不局限于此，只要能作为纳米碳管或碳纤维成长的催化剂即可。其中，本专利技术的碳源并无特别限制，可使用本领域已知的任何气体、固体、或液体碳源，例如甲烷、乙炔、樟脑等，只要能作为成长纳米碳管或碳纤维的碳源即可。较佳为室温下为固体，且具有低温下高挥发度的含碳源。在本专利技术还提供了一种复合电极，包含：一基板，其上方设置一活性材料层，其中，该活性材料层包含：前述的复合电极材料、以及一粘着剂。在本专利技术的复合电极中，基板可为一导电金属基板，其中，导电金属基板的材料并无特别限制，例如可为本
常用的铜箔。且该铜箔的厚度亦无特别限制，可视需要进行调整。在本专利技术的复合电极中，粘着剂并无特别限制，可为本领域常用的羧甲基纤维素钠(sodiumcarboxymethylcellulose，NaCMC)、聚丙烯酸(polyacrylicacid，PAA)等，在本专利技术的一实施方案中，使用NaCMC作为粘着剂。在本专利技术的复合电极中，复合电极材料由前述方法所制得，故在此不在赘述。通常在制作硅基电极时，需要额外加入例如碳黑(c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电极材料，包含：一核心，该核心的材料为至少一选自由Sn、Sb、Si、Ge、C、及其化合物所组成的群组；以及一纳米碳管或一碳纤维，其中，该纳米碳管或该碳纤维成长于一表面，该表面包含该核心的表面。

【技术特征摘要】
2017.08.29 TW 1061292881.一种复合电极材料，包含：一核心，该核心的材料为至少一选自由Sn、Sb、Si、Ge、C、及其化合物所组成的群组；以及一纳米碳管或一碳纤维，其中，该纳米碳管或该碳纤维成长于一表面，该表面包含该核心的表面。2.如权利要求1所述的复合电极材料，其中，该纳米碳管或该碳纤维直立成长于该表面。3.如权利要求1所述的复合电极材料，其中，该核心为一扁平状颗粒。4.如权利要求1所述的复合电极材料，其中，该核心厚度为50nm至500nm。5.如权利要求1所述的复合电极材料，其中，该核心长宽平均为100nm至9μm。6.如权利要求1所述的复合电极材料，其中，该纳米碳管或该碳纤维具有包覆该核心的3D多孔网状或海绵状结构。7.一种复合电极材料的制作方法，包含下列步骤：提供一核心，该核心的材料为至少一选自由Sn、Sb、Si、Ge、C、及其化合物所组成的群组；以及以一催化剂通过一化学气相沉积法，于一表面成长一纳米碳管或一碳纤维，其中，该表面包含该核心的表面。8.如权利要求7所述的制作方法，其中，该化学气相沉积法包含：以一旋转或搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾永华，曾伟良，黄韦智，
申请(专利权)人：曾永华，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71