负极活性物质和包括其的可再充电锂电池制造技术

公开了根据实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质和包括该负极活性物质的可再充电锂电池，所述负极活性物质包括硅‑碳复合物，所述硅‑碳复合物包括：结晶碳；非晶碳；以及硅纳米颗粒，具有选自于针状形状、片状形状、板状形状或它们的组合的形状，其中，硅纳米颗粒具有大约5nm至大约150nm的D50粒径和大约4至大约10的长径比。

Negative active substance and rechargeable lithium battery including it

【技术实现步骤摘要】
负极活性物质和包括其的可再充电锂电池本申请要求于2018年4月5日在韩国知识产权局提交的第10-2018-0039875号韩国专利申请的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用包含于此。
公开了一种用于可再充电锂电池的负极活性物质和一种包括该负极活性物质的可再充电锂电池。
技术介绍
可再充电锂电池(也可以被称为“锂二次电池”)包括：正电极和负电极，包括能够可逆地嵌入/脱嵌锂离子的材料作为正极活性物质和负极活性物质；以及有机电解质或聚合物电解质，充入正电极和负电极之间。这里，正电极和负电极嵌入和脱嵌锂离子并通过氧化还原反应产生电能。对于用于锂二次电池的正极活性物质，已经使用了能够嵌入锂的锂过渡金属氧化物，诸如，LiCoO2、LiMn2O4、LiNi1-xCoxO2(0<x<1)等。对于用于锂二次电池的负极活性物质，已经使用了能够嵌入和脱嵌锂离子的各种碳基材料，诸如人造石墨、天然石墨、硬碳。对具有高能量密度的电池的需求越来越多地需要具有高理论容量密度的负极活性物质。因此，与锂合金化的Si、Sn和Ge以及其氧化物和其合金已经引起了关注。特别地，Si基负极活性物质具有非常高的充电容量并且被广泛地应用于高容量电池。然而，Si基负极活性物质在充电和放电期间会膨胀大约300％至大约400％，因此会使电池的充电和放电特性以及循环寿命特性劣化。因此，已经积极地研究了能够有效控制Si基负极活性物质的膨胀的粘合剂。
技术实现思路
提供了一种能够有效控制活性物质的膨胀的用于可再充电锂电池的负极活性物质以及具有改善的循环寿命的锂二次电池。根据实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质包括硅-碳复合物，硅-碳复合物包括：结晶碳；非晶碳；以及硅纳米颗粒，具有选自于针状形状、片状形状、板状形状和它们的组合的形状，其中，硅纳米颗粒具有大约5nm至大约150nm的D50粒径和大约4至大约10的长径比。根据另一实施例的可再充电锂电池包括：负电极，包括用于可再充电锂电池的所述负极活性物质；正电极；以及电解质。根据实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质可以有效地控制膨胀。根据另一实施例的可再充电锂电池呈现出改善的循环寿命特性。附图说明图1和图2是通过显微镜拍摄的根据实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质的照片。图3是通过显微镜拍摄的根据另一实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质的照片。图4是示出根据实施例的可再充电锂电池的结构的示意图。具体实施方式在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。然而，在本公开的描述中，为了阐明本公开的主旨，将省略对已知的功能或组件的描述。为了清楚地描述本公开，省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同的附图标记表示相同或相似的组件。此外，由于为了便于描述，可选地表示附图中示出的每个组件的尺寸和厚度，因此本公开不限于该图示。用于可再充电锂电池的负极活性物质根据实施例的负极活性物质包括包含结晶碳、非晶碳和硅纳米颗粒的硅-碳复合物。根据另一实施例的负极活性物质可以具有核壳结构，核壳结构包括：核，包括包含结晶碳、非晶碳和硅纳米颗粒的硅-碳复合物；以及非晶碳层，围绕核的表面。图1和图2是通过显微镜拍摄的根据实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质的照片。参照图1和图2，根据实施例的硅纳米颗粒具有针状形状、片状形状(flake-shape)、板状形状(sheet-shape)或它们的组合。图3是通过显微镜拍摄的根据另一实施例的用于可再充电锂电池的负极活性物质的照片。参照图3，确认了包括包含石墨(结晶碳和/或非晶碳)和硅纳米颗粒的核以及围绕核的非晶碳包覆层的核壳结构。具体地，参照图2，硅纳米颗粒的长径比大于或等于大约4，例如，在大约4至大约10的范围内。当硅纳米颗粒同时具有针状形状、片状形状和板状形状并且长径比为大约4至大约10时，可以降低负电极的电极板膨胀率，因此，可以改善电池的循环寿命。这里，“长径比”指硅纳米颗粒的剖面之中的最长距离与最短距离之比。硅纳米颗粒的剖面之中的最长距离被称为“长直径”，而硅纳米颗粒的剖面之中的最短距离被称为“短直径”。硅纳米颗粒的D50粒径可以在大约5nm至大约150nm的范围内，例如，在大约10nm至大约150nm的范围内，具体地，在大约30nm至大约150nm的范围内，更具体地，在大约50nm至大约150nm的范围内，狭窄地，在大约60nm至大约100nm的范围内，更狭窄地，在大约80nm至大约100nm的范围内。具体地，硅纳米颗粒可以具有在大约50nm至大约150nm的范围内的长直径和在大约5nm至大约37nm范围内的短直径。当硅纳米颗粒的尺寸在该范围内时，可以降低负电极的电极板膨胀率，因此，可以改善电池的循环寿命。硅纳米颗粒的D50粒径与硅纳米颗粒的长径比之间存在相关性。具体地，当硅纳米颗粒的D50粒径减小大约1％时，硅纳米颗粒的长径比可以增加大约3％至大约5％。例如，如果硅纳米颗粒的D50粒径减小1％，则硅纳米颗粒的长径比可以增加4％。因此，当硅纳米颗粒的D50粒径减小时，可以提供具有相对较高的长径比的硅纳米颗粒。硅纳米颗粒包括至少一个晶粒。例如，根据实施例的硅纳米颗粒可以为由一个晶粒组成的单晶硅纳米颗粒和包括多个晶粒的多晶硅纳米颗粒。此外，硅纳米颗粒可以不必是结晶的，而是部分地具有结晶结构并部分地具有非晶结构。这里，包括在硅纳米颗粒中的至少一个晶粒的D50粒径可以在大约5nm至大约20nm的范围内，具体地，在大约10nm至大约20nm的范围内，更具体地，在大约15nm至大约20nm的范围内。当硅纳米颗粒的晶粒的D50粒径在该范围内时，可以进一步降低负电极的电极板膨胀率。D50粒径是通过将硅纳米颗粒放入粒度分析仪中测得的累积尺寸分布曲线中的50体积％的粒径而获得的。包括在实施例中的结晶碳可以具有片状形状或板状形状，并且包括人造石墨、天然石墨或它们的组合。另一方面，结晶碳的D50粒径可以在大约5μm至大约10μm的范围内。当结晶碳具有与硅纳米颗粒的片状形状或板状形状相似的片状形状或板状形状时，硅纳米颗粒可以具有更均匀的分布，根据具有相似形状的颗粒的均匀分布而使锂离子的扩散路径缩短，因此，可以改善电池的倍率性能和输出特性。非晶碳可以是软碳或硬碳、中间相沥青碳化产物或烧结焦炭等。如前所述，根据实施例的负极活性物质可以包括硅-碳复合物，在硅-碳复合物中，上述硅纳米颗粒和结晶碳颗粒通过非晶碳结合并成团(agglomerate)。根据实施例，当将硅-碳复合物的重量认为100％时，基于硅-碳复合物的总重量，硅纳米颗粒的量可以为大约35wt％至大约45wt％，结晶碳的量可以为大约35wt％至大约45wt％，非晶碳的量可以为大约10wt％至大约30wt％。当硅纳米颗粒、结晶碳和非晶碳包括在上述范围中的每个内时，可以改善负电极的电极板膨胀率同时不降低负电极的容量，因此，可以改善电池的循环寿命。另一方面，负极活性物质可以具有核壳结构。具有核壳结构的负极活性物质包括位于中心的核和围绕核的表面的壳。负极活性物质的中心中的核可以是通过上述硅纳米颗粒、结晶碳和非晶碳形成的硅-碳复合物。另一方面，壳包括围绕核的表面的碳包覆层。碳包覆层可以是结晶碳包覆层或非晶碳包覆层。结晶碳包覆层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于可再充电锂电池的负极活性物质，所述负极活性物质包括硅‑碳复合物，所述硅‑碳复合物包括：结晶碳；非晶碳；以及硅纳米颗粒，具有从针状、片状、板状和它们的组合中选择的形状，其中，所述硅纳米颗粒具有5nm至150nm的D50粒径和4至10的长径比。

【技术特征摘要】
2018.04.05 KR 10-2018-00398751.一种用于可再充电锂电池的负极活性物质，所述负极活性物质包括硅-碳复合物，所述硅-碳复合物包括：结晶碳；非晶碳；以及硅纳米颗粒，具有从针状、片状、板状和它们的组合中选择的形状，其中，所述硅纳米颗粒具有5nm至150nm的D50粒径和4至10的长径比。2.根据权利要求1所述的负极活性物质，其中，所述硅纳米颗粒具有50nm至150nm的长直径和5nm至37nm的短直径。3.根据权利要求1所述的负极活性物质，其中，当所述硅纳米颗粒的D50粒径减小1％时，所述硅纳米颗粒的长径比增大3％至5％。4.根据权利要求1所述的负极活性物质，其中，所述硅纳米颗粒包括D50粒径为5nm至20nm的晶粒。5.根据权利要求1所述的负极活性物质，其中，所述结晶碳具有片状形状或板状形状。6.根据权利要求1所述的负极活性物质，其中，所述结晶碳具有5μm至10μm的D50粒径。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：申昌洙，金容汐，罗载浩，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR