用于锂离子电池的阳极活性材料制造技术

本发明专利技术提供了用于锂离子电池的硅基阳极活性材料，及其制备方法以及在锂离子电池的阳极中的用途。本发明专利技术还公开了使用所述阳极活性材料制造的锂离子电池和阳极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的阳极活性材料
本专利技术涉及能量存储领域。更具体地，本专利技术涉及用于锂离子电池的阳极活性材料，及其制备方法，以及在锂离子电池阳极中的用途。本专利技术还涉及使用本文所述的阳极活性材料制造的锂离子电池及其阳极。
技术介绍
硅是锂离子电池最有前途的阳极材料之一，因为它具有最高的已知理论容量(～3,800mAh/g)，它在自然界中非常丰富，可以以环境友好的方式开采和炼制。但是，却存在实现高容量硅基阳极活性材料的重大障碍。例如，在连续充电-放电过程中，在锂离子的嵌入和脱嵌期间，锂经历显著的体积变化，这会导致阳极的显著结构退化，导致比容量的损失和电池阻抗的增加。这些缺点可能进一步导致锂离子电池的潜在安全问题。已经开发了许多用于锂离子电池的硅阳极材料以解决充电-放电过程中硅体积变化问题。已经发现，当在阳极活性材料中使用直径小于150nm临界尺寸的硅颗粒时，硅颗粒在锂化/脱锂期间经历较低水平的裂化和破裂。然而，制造直径小于150nm的硅颗粒是非常昂贵的，因此在商业上不可行。替代方法包括在硅颗粒周围形成壳，机械地限制锂在锂化/脱锂期间的体积变化。但是，这些阳极活性材料通常需要复杂且昂贵的工艺来制备硅核壳结构。鉴于前述内容，需要开发新的硅基阳极活性材料，其可以以直接和经济的方式制备，并且在重复充电/放电循环后仍表现出高容量保持率(capacityretention)。
技术实现思路
为了至少部分地解决上述问题，本专利技术提供了硅基阳极活性材料，其可以以直接和经济的方式制备。阳极活性材料包括复合材料内的空隙空间，所述复合材料包含硅基材料、碳基材料和碳质材料。本专利技术的阳极活性材料可以表现出许多有利的特性。例如，锂离子可以容易地在阳极活性材料中扩散和通过阳极活性材料扩散，部分是由于其多孔结构，阳极活性材料中存在的空隙空间可以至少部分地抑制硅基材料在电化学反应期间的膨胀，使得可以至少部分地减轻阳极材料的结构退化。在第一方面，本专利技术提供了一种制备阳极活性材料的方法，包括以下步骤：a)使硅基材料与分散剂接触，从而形成包含硅基材料和分散剂的第一混合物；b)使第一混合物与碳基材料接触，从而形成包含硅基材料、碳基材料和分散剂的第二混合物；和c)对第二混合物进行热处理，从而形成阳极活性材料，其中，硅基材料的粒径为100至300nm，碳基材料的粒径为10至30μm。在第一方面的第一实施例中，本专利技术提供第一方面的方法，其中所述硅基材料选自：硅颗粒，SiOx颗粒，SiO颗粒及其组合，其中x为0.1到1.9。在第一方面的第二实施例中，本专利技术提供第一方面的方法，其中所述碳基材料选自：石墨颗粒，炭黑颗粒及其组合。在第一方面的第三实施例中，本专利技术提供第一方面的方法，其中所述分散剂是以下至少一种化合物：葡萄糖，果糖，蔗糖，纤维素，淀粉，柠檬酸，羧甲基纤维素，聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸酯，聚醚酰亚胺，聚乙烯吡咯烷酮，环氧树脂，酚醛树脂和沥青。在第一方面的第四实施例中，本专利技术提供第一方面的方法，其中第二混合物中硅基材料与分散剂与碳基材料的质量比为0.5:7:20至3：7：20。在第一方面的第五实施例中，本专利技术提供第一方面的方法，还包括：在使第一混合物与碳基材料接触的步骤之前，球磨所述第一混合物；在对第二混合物进行热处理的步骤之前，球磨所述第二混合物。在第一方面的第六实施例中，本专利技术提供第一方面的第五实施例的方法，还包括：在球磨第二混合物的步骤之后和在对第二混合物进行热处理的步骤之前，干燥所述第二混合物。在第一方面的第七实施例中，本专利技术提供第一方面的方法，其中热处理步骤包括：在惰性气体下在300至1000℃的温度下加热第二混合物。在第一方面的第八实施例中，本专利技术提供第一方面的第五实施例的方法，其中阳极活性材料的粒度为8至25μm。在第二方面，本专利技术提供了一种制备阳极活性材料的方法，包括以下步骤：a)使粒径为10-30μm的硅颗粒与葡萄糖接触，从而形成第一混合物，所述第一混合物包含质量比为0.5:7至3:7的硅颗粒和葡萄糖；b)球磨第一混合物，从而形成研磨的第一混合物，该混合物包含D50为150-190nm的硅颗粒；c)使第一混合物与D50为15-16μm的石墨颗粒接触，从而形成包含硅颗粒、石墨颗粒和葡萄糖的第二混合物，所述硅颗粒与石墨颗粒与葡萄糖的质量比为0.5:20:7至3:20:7；d)球磨第二混合物，从而形成研磨的第二混合物；e)干燥研磨的第二混合物，从而形成干燥的第二混合物；和f)将干燥的第二混合物在惰性气体下在700至900℃下进行热处理，从而形成阳极活性材料，其中阳极活性材料的D50为11.5至12.5μm，阳极活性材料的Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积为3.05-3.15m2/g。在第三方面，本专利技术提供根据第一方面的方法制备的阳极活性材料。在第四方面，本专利技术提供根据第二方面的方法制备的阳极活性材料。在第五方面，本专利技术提供了包含第三方面的阳极活性材料的阳极。在第六方面，本专利技术提供了包含第四方面的阳极活性材料的阳极。在第七方面，本专利技术提供了一种锂离子电池，其包含第五方面的阳极。在第八方面，本专利技术提供了一种锂离子电池，其包含第六方面的阳极。在第七方面的第一实施例中，本专利技术提供了第七方面的锂离子电池，其中所述阳极活性材料具有400至500mAh/g的比容量。在第七方面的第二实施例中，本专利技术提供了第七方面的锂离子电池，其中所述阳极活性材料在400次循环后具有75％至95％的容量保持率。在第八方面的第一实施例中，本专利技术提供第八方面的锂离子电池，其中所述阳极活性材料的比容量为400-450mAh/g。在第八方面的第二实施例中，本专利技术提供了第八方面的锂离子电池，其中所述阳极活性材料在400次循环后具有85％至90％的容量保持率。【附图说明】结合以下附图，通过以下对本专利技术的描述，本专利技术上述和其他目的和特征将变得显而易见。图1A显示了通过球磨平均尺寸为50μm的微米硅颗粒而制备的硅纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。得到的硅颗粒如图1A所示，平均粒度为约200nm，图1A的放大倍数为10,000(标尺：5μm)。图1B显示了在25,000的放大倍数下平均粒度约200nm的硅纳米颗粒的SEM图像(标尺：2μm)。图1C显示了在1,000的放大倍数下球磨之前的石墨纳米颗粒的SEM图像，平均粒度约为10至15μm(标尺：50μm)。图1D显示了在2500的放大倍数下球磨之前的石墨纳米颗粒的SEM图像，平均粒度约为10至15μm(标尺：20μm)。图1E显示了在1,000的放大倍数下平均粒度约10至15μm的阳极活性材料的SEM图像(标尺：50μm)。图1F显示了在2500的放大倍数下平均粒度约10至15μm的阳极活性材料的SEM图像(标尺：20μm)。图1G显示了平均粒度约10至15μm的阳极活性材料的能量色散光谱(EDS)图像。图1H显示了本专利技术某些实施例的阳极活性材料中的碳的EDS元素映射图像，其以较浅颜色显示碳在阳极活性材料中的分布。图1I显示了本专利技术某些实施例的阳极活性材料中的硅的EDS元素映射图像，其以较浅颜色显示硅在阳极活性材料中的分布。图2显示了本专利技术某些实施例的阳极活性材料的SEM图像。图3显示了本专利技术某些本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备阳极活性材料的方法，包括以下步骤：a)使硅基材料与分散剂接触，从而形成包含硅基材料和分散剂的第一混合物；b)使所述第一混合物与碳基材料接触，从而形成包含硅基材料、碳基材料和分散剂的第二混合物；和c)对所述第二混合物进行热处理，从而形成所述阳极活性材料，其中，所述硅基材料的粒径为100至300nm，所述碳基材料的粒径为10至30μm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2018.09.28 US 16/145,2671.一种制备阳极活性材料的方法，包括以下步骤：a)使硅基材料与分散剂接触，从而形成包含硅基材料和分散剂的第一混合物；b)使所述第一混合物与碳基材料接触，从而形成包含硅基材料、碳基材料和分散剂的第二混合物；和c)对所述第二混合物进行热处理，从而形成所述阳极活性材料，其中，所述硅基材料的粒径为100至300nm，所述碳基材料的粒径为10至30μm。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅基材料选自：硅颗粒、SiOx颗粒、SiO颗粒及其组合，其中x为0.1-1.9。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳基材料选自：石墨颗粒、炭黑颗粒及其组合。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述分散剂是以下至少一种化合物：葡萄糖、果糖、蔗糖、纤维素、淀粉、柠檬酸、羧甲基纤维素、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂、酚醛树脂和沥青。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二混合物中硅基材料与分散剂与碳基材料的质量比为0.5：7：20至3：7：20。6.根据权利要求1所述的方法，还包括：在使第一混合物与碳基材料接触的步骤之前，球磨第一混合物；在对第二混合物进行热处理的步骤之前，球磨第二混合物。7.根据权利要求6所述的方法，还包括：在球磨第二混合物的步骤之后和在对第二混合物进行热处理的步骤之前，干燥第二混合物。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述热处理步骤包括：在惰性气体下在300至1000℃的温度下加热所述第二混合物。9.根据权利要求6所述的方法，其中所述阳极活性材料的粒径为8至25μm。10.一种制备阳极活性材料的方法，包括以下步骤：a)使粒径为10-3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王森林，解来勇，向静，李卫群，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81