复合电极材料、其制备方法、包含其的复合电极及锂电池技术

一种复合电极材料、其制备方法、包括其的复合电极及包括所述复合电极的锂电池。该复合电极材料包括：一核心，其中该核心的材料为至少一选自由Si、Ge及其部分氧化的化合物所组成的群组；以及一氧化层，封装该核心的至少一部分的一表面，其中该氧化层的材料为一Si的完全氧化化合物、一Ge的完全氧化化合物或其组合，其中部分该核心中的材料与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。

【技术实现步骤摘要】
复合电极材料、其制备方法、包含其的复合电极及锂电池
本专利技术涉及一种复合电极材料及其制备方法，包括该复合电极材料的复合电极及包括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、高电池功率和储存寿命长等优点而被视为现今最有效的能源储存方式之一。目前，商业上所使用的锂离子电池负极材料大多为石墨，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，然而随着科技发展，对电容值的需求也在增长，单纯的石墨电极已无法符合大众需求。现今，研究人员倾向研究与负极材料有关的非碳系材料，例如Al、Mg、Sb、Sn、Ge、Si等，其中，硅具有高达4200mAhg-1的理论电容值尤其受到重视，然而，硅在充放电过程中约有最高达420％的体积变化率，远大于碳的12％，因此容易造成硅本身粉碎(pulverization)，故粉碎的硅颗粒之间失去导电性接触，从而导致锂离子无法顺利嵌入和脱嵌，因此电池容量将下降，同时，粉碎的硅颗粒的新暴露表面将会消耗电解质并与其反应会形成新的SEI膜。经充放电后，电池内部电解液持续消耗并不断累积新的SEI膜，最终导致电池寿命缩短。因此，目前亟需发展一种复合电极材料，不仅能拥有高电容值，还能克服重复充放电后带来的缺陷，以达成比使用石墨电极的锂电池更高的电池效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型复合电极材料及其制备方法、包括该复合电极材料的复合电极及包括该复合电极的锂电池。本专利技术的复合电极材料包括：一核心，该核心的材料为至少一选自由Si、Ge及其部分氧化的化合物所组成的群组；以及一氧化层，封装该核心的至少一部分的一表面，其中该氧化层的材料为Si的完全氧化化合物、Ge的完全氧化化合物或其组合；其中部分该核心中的材料与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。此外，本专利技术上述复合电极材料的制备方法包括以下步骤：提供一母体核心，其中该母体核心的材料为至少一选自由Si和Ge所组成的群组；氧化该母体核心，以在该母体核心的一表面形成一母体氧化层，其中该母体氧化层的材料为Si的完全氧化化合物、Ge的完全氧化化合物或其组合；以及使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂，以获得一复合电极材料，其中该复合电极材料包括：衍生自该母体核心的一核心；及衍生自该母体氧化层的一氧化层，其中该氧化层部分暴露该核心，且从该氧化层暴露的该核心的材料与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。在本专利技术的方法中，氧化该母体核心以制造一母体氧化层作为被膜(capsule)，将核心固定在一起并提供化学稳定的表面。在本专利技术一实施例中，该母体核心的材料包括硅。在本专利技术另一实施例中，该母体核心的材料包括部分氧化的硅(SiOX，x＜2)。在本专利技术再一实施例中，该母体核心的材料包括硅和部分氧化的硅两者。包括硅、部分氧化的硅或两者的该母体核心被氧化以提供一层坚硬、机械强度高且具化学惰性的二氧化硅来环绕该母体核心。接着，使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂，以获得本专利技术的该复合电极材料。上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂成两片或多片，以沿一断裂线暴露出该核心的一表面的一部分。因此，在本专利技术所获得的该复合电极材料中，该氧化层封装至少一部分的该核心。举例来说，该核心的该表面的一或多个区域没有被该氧化层所覆盖。在此，从该氧化层部分暴露而未被该氧化层覆盖的该核心可与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。在本专利技术一实施例中，该核心的材料包括硅，而该氧化层为二氧化硅层。在本专利技术另一实施例中，该核心的材料包括部分氧化的硅(SiOX，x＜2)，而该氧化层为二氧化硅层。在本专利技术再一实施例中，该核心的材料包括硅和部分氧化的硅两者，而该氧化层为二氧化硅层。在此，使包括硅、部分氧化的硅或两者的封装有该二氧化硅层的核心断裂成两片或多片以暴露出部分的该核心的该表面以进行锂化和脱锂化。该核心的材料提供高电荷储存容量，而该二氧化硅层可防止该核心在充放电循环过程中于反复体积膨胀和收缩后变成一团松散的小颗粒。使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂之后，具有一断裂的母体氧化层的一断裂的母体核心可直接地用作为本专利技术的一复合电极材料，其中该断裂的母体核心是作为该复合电极材料的该核心，而该断裂的母体氧化层是作为该复合电极材料的该氧化层。在本专利技术另一实施例中，本专利技术的方法可还包括：使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂之后，氧化该断裂的母体核心，以在该断裂的母体核心的一表面形成一薄的氧化层，而未被该断裂的母体氧化层所覆盖。在此，该断裂的母体核心是作为该复合电极材料的该核心。该断裂的母体氧化层与该薄的氧化层结合在一起，且该断裂的母体氧化层与该薄的氧化层一起作为该复合电极材料的该氧化层。在此情况下，该复合电极材料的该核心的该整个表面被该氧化层封装，而该氧化层的一部分很薄。举例来说，该薄的氧化层的厚度的范围介于0.1nm至1nm之间。因为该薄的氧化层很薄，所以锂离子仍可渗透该薄的氧化层以进行锂化和脱锂化。在本专利技术一实施例中，该核心和该母体核心的材料为Si，以提供高电容量，且该氧化层和该母体氧化层的材料为二氧化硅。在本专利技术中，该核心的形状没有特别限制。在本专利技术一实施例中，该核心为一片状颗粒或一纸状薄片，以改善该电极的电容量和循环次数。在本专利技术中，该核心的厚度没有特别限制。在本专利技术一实施例中，该核心的厚度的范围可介于50nm至500nm之间，例如50nm至400nm之间、50nm至300nm之间、50nm至200nm之间、80nm至200nm之间或80nm至120nm之间。在本专利技术中，该核心的长度或宽度没有特别限制。在本专利技术一实施例中，该核心的长度或宽度的范围可介于50nm至9μm之间，例如100nm至9μm之间、200nm至5μm之间、200nm至3μm之间、300nm至3μm之间、300nm至2μm之间、300nm至1500nm之间、400nm至1500nm之间或500nm至1200nm之间。在本专利技术中，该氧化层的厚度的范围可介于5nm至200nm之间，例如5nm至150nm之间、10nm至100nm之间、10nm至50nm之间或10nm至30nm之间。此外，本专利技术的方法可还包括：在使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂的步骤之后，在该氧化层上形成一石墨纳米碳层。因此，本专利技术所获得的该复合电极材料可还包括一石墨纳米碳层，其中该石墨纳米碳层形成于该氧化层上。其次，本专利技术的方法可还包括：在使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂的步骤之后，在该氧化层和从该氧化层暴露的该核心上形成一石墨纳米碳层。因此，本专利技术所获得的该复合电极材料可还包括：一石墨纳米碳层，其中该石墨纳米碳层形成在该氧化层和从该氧化层暴露的该核心的该表面上。在本专利技术中，该石墨纳米碳层可为一石墨薄膜或纤维状纳米碳层。举例来说，该石墨纳米碳层可包括石墨烯纳米壁、类石墨烯的碳纳米壁、纳米碳管、碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电极材料，包括：/n核心，该核心的材料为至少一选自由Si、Ge及其部分氧化的化合物所组成的群组；以及/n氧化层，封装该核心的至少一部分的一表面，其中该氧化层的材料为Si的完全氧化化合物、Ge的完全氧化化合物或其组合；/n其中部分该核心中的材料与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。/n

【技术特征摘要】
20190612 US 62/860,3421.一种复合电极材料，包括：
核心，该核心的材料为至少一选自由Si、Ge及其部分氧化的化合物所组成的群组；以及
氧化层，封装该核心的至少一部分的一表面，其中该氧化层的材料为Si的完全氧化化合物、Ge的完全氧化化合物或其组合；
其中部分该核心中的材料与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。


2.如权利要求1所述的复合电极材料，还包括石墨纳米碳层，其中该石墨纳米碳层形成于该氧化层上。


3.如权利要求1所述的复合电极材料，还包括石墨纳米碳层，其中该石墨纳米碳层形成于该氧化层上和从该氧化层暴露的该核心的该表面上。


4.如权利要求2所述的复合电极材料，其中该石墨纳米碳层包括石墨烯纳米壁、纳米碳管、碳纤维、石墨颗粒、石墨膜或其组合。


5.如权利要求1所述的复合电极材料，其中该核心为一片状颗粒。


6.如权利要求1所述的复合电极材料，其中该核心的厚度的范围介于50nm至500nm之间。


7.如权利要求1所述的复合电极材料，其中该核心的长度或宽度的范围介于50nm至9μm之间。


8.如权利要求1所述的复合电极材料，其中该核心的材料为Si。


9.一种制备复合电极材料的方法，包括下列步骤：
提供一母体核心，其中该母体核心的材料为至少一选自由Si和Ge所组成的群组；
氧化该母体核心，以于该母体核心的一表面形成一母体氧化层，其中该母体氧化层的材料为Si的完全氧化化合物、Ge的完全氧化化合物或其组合；以及
使上方形成有该母体氧化层的该母体核心断裂，以获得一复合电极材料，其中该复合电极材料包括：衍生自该母体核心的一核心；及衍生自该母体氧化层的一氧化层，其中该氧化层部分暴露该核心，且从该氧化层暴露的该核心的材料与锂离子反应以进行锂化和脱锂化。


10.如权利要求9所述的方法，其中在使上方形成有该母体氧化层的该母...

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