阳极材料及其制备和使用方法技术

本公开提供了一种电化学活性材料，所述电化学活性材料包括由通式(I)表示的合金：Si

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】阳极材料及其制备和使用方法
本公开涉及可用于电化学电池的阳极的组合物及其制备和使用方法。
技术介绍
已引入各种阳极组合物用于锂离子电池中。此类组合物于例如Il-seokKim、P.N.Kumta和G.E.Blomgren的Electrochem.SolidStateLett.，2000年3月，第493页，以及YeZhang、Zheng-WenFu、Qi-ZongQin的Electrochem.Comm.，2004年6月，第484页中有所描述。
技术实现思路
在一些实施方案中，提供了电化学活性材料。所述电化学活性材料包括由通式(I)表示的合金：SiaTibOcNdMe，(I)其中a、b、c、d和e表示原子％值，a+b+c+d+e＝100，M包括碳或除钛之外的过渡金属元素，a>20，a+b+e≥c+d，c≥0，d>5，e≥0，并且a/b>0.5。所述合金包括过渡金属硅化物、氮化钛或氮氧化钛相，并且所述相具有大于2nm且小于10nm的谢乐晶粒尺寸。在一些实施方案中，提供了电极组合物。电极组合物包括上述电化学活性材料和粘结剂。在一些实施方案中，提供了负极。所述负极包括集电器和上述电极组合物。在一些实施方案中，提供了电化学电池。所述电化学电池包括上述负极、包括正极组合物的正极以及包括锂的电解质，所述正极组合物包括锂。在一些实施方案中，提供了制备电化学电池的方法。所述方法包括：提供包括正极组合物的正极，所述正极组合物包括锂；提供如上所述的负极；提供包括锂的电解质；以及将所述正极、所述负极和所述电解质结合到电化学电池中。在一些实施方案中，提供了制备合金的方法。所述方法包括对包括硅和钛的粉末进行球磨。在包括氮气、氮气和氧气的混合物或空气的气氛中进行球磨步骤。本公开的上述
技术实现思路
并非旨在描述本公开的每个实施方案。本公开的一个或多个实施方案的细节也在下面的描述中阐述。根据说明书和权利要求书，本公开的其他特征、目的和优点将显而易见。附图说明结合附图来考虑本公开的各种实施方案的以下详细描述可更全面地理解本公开，其中：图1示出了本公开实施例1-3的X射线衍射(XRD)图。空心符号指示衍射图案中识别的峰。图2为本公开的实施例5的XRD图。空心符号指示衍射图中标识的峰，并且所标识的相的参考图案的相对衍射强度由黑线指示并按实心符号标记。图3为比较例CE2的XRD图。空心符号指示衍射图中标识的峰，并且所标识的相的参考图案的相对衍射强度由黑线指示并按实心符号标记。图4为比较例CE4的XRD图。空心符号指示衍射图中标识的峰，并且所标识的相的参考图案的相对衍射强度由黑线指示并按实心符号标记。图5示出了本公开的例示性实施方案(a)实施例1、(b)实施例2和(c)实施例3的扫描电子显微镜(SEM)图像。图6示出了比较例CE1的SEM图像。图7示出了在30℃下经过50个充电/放电循环的包括本公开实施例1的例示性合金的电化学电池随电压变化的微分容量。图8示出了在30℃下经过50个充电/放电循环的包括本公开实施例7的例示性合金的电化学电池的微分容量与电压曲线。图9示出了在30℃下经过50个充电/放电循环的包括比较合金CE1的电化学电池的微分容量与电压曲线。图10示出了在30℃下经过50个充电/放电循环的包括比较合金CE3的电化学电池的微分容量与电压曲线。具体实施方式硅基材料作为有望替代石墨的用于下一代高能量密度锂离子电化学电池的负极材料至少部分原因在于其较高的能量密度。然而，由于已知的硅基负极材料在锂化过程中的高体积膨胀以及不期望地与电池中的电解质反应的倾向，一直难以用已知的硅基负极材料获得强电化学电池寿命。已证明包括非活性组分的硅基合金通过降低体积膨胀并降低电解质反应性而成功地提供延长的循环寿命。然而，仍然期望这些区域的进一步改善。包括氮化钛(TiN)作为非活性组分或相的硅(Si)基合金(Si/TiN活性/非活性合金)具有高电子电导率和低电解质反应性的期望特性。已知的用于锂离子电化学电池的Si/TiN活性/非活性合金已通过对Si相和TiN相进行机械合金化而制成。已发现此类机械合金化(即，直接研磨Si和TiN)导致形成Si/TiN活性/非活性合金，其中当Si/Ti原子比低(例如，33/66)时，TiN相的谢乐晶粒度不小于5纳米，并且当Si/Ti原子比高(例如，85/15)时，TiN相的谢乐晶粒度不小于10纳米。为了改善电化学性能，期望较小的晶粒尺寸。此外，使用TiN作为原料是相对昂贵的，因为TiN通常由气相处理制成。据报道，可通过在富氮气氛中研磨钛(Ti)粉末来制备纳米晶体TiN。然而，还报道了在富氮气氛下对Si进行球磨将导致形成氮化硅(Si3N4)，该氮化硅是在锂离子电化学电池中电化学非活性的材料。因此，在本发现之前，据信Si和Ti粉末的混合物在富氮气氛中的机械合金化将导致形成TiN和Si3N4的混合物，这两者均在锂离子电化学电池中为电化学非活性的。然而，已发现此类合金可产生硅-钛-氮合金，该合金不包括可观数目的Si3N4并且具有独特的微结构，该微结构使其特别有利于用作锂离子电化学电池中的负极材料。另外，发现本公开的合成方法适用于相对低成本的大规模生产。如本文所用，术语“锂化”和“锂化反应”是指将锂添加到电极材料或电化学活性相的过程；术语“脱锂化”和“脱锂化反应”是指从电极材料或电化学活性相中移除锂的过程；术语“充电”是指为电池提供电化学能量的过程；术语“放电”是指从电池中移除电化学能量的过程，例如当使用电池进行所需的工作时；短语“充电/放电循环”是指其中电化学电池被完全充电(即，电池达到其上限截止电压并且阴极处于约100％的充电状态)并且随后放电以达到较低截止电压并且阴极处于约100％的放电深度的循环；短语“半电池”是指双电极电化学电池，其中一个电极为工作电极，并且另一电极为锂金属反电极/参比电极；短语“正极”是指在全电池的放电过程中发生电化学还原反应和锂化反应的电极(通常称为阴极)；短语“负极”是指在全电池的放电过程中发生电化学氧化反应和脱锂化反应的电极(通常称为阳极)；短语“全电池”是指两电极电化学电池，其中这两个电极均不是锂金属(例如锂离子电池)；术语“合金”是指包括任何或所有金属、准金属、半金属或半导体的混合物的物质；短语“电化学活性材料”是指可包括单相或多相的材料，其能够在锂离子电池的负极充电和放电过程中可能遇到的条件下(例如，相对于锂金属介于0V和2V之间的电压)与锂发生电化学反应或与锂合金化；短语“电化学非活性材料”是指可包括单相或多相的材料，其能够在锂离子电池的负极充电和放电过程中可能遇到的条件下(例如，相对于锂金属介于0V和2V之间的电压)不与锂发生电化学反应或与锂合金化；术语“相”是指具有均匀组合物和原子结构的材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学活性材料，包括由通式(I)表示的合金：/nSi

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180412 US 62/656,4141.一种电化学活性材料，包括由通式(I)表示的合金：
SiaTibOcNdMe，(I)
其中a、b、c、d和e表示原子％值，a+b+c+d+e＝100，M包括碳或除钛之外的过渡金属元素，a>20，a+b+e≥c+d，c≥0，d>5，e≥0，并且a/b>0.5；
其中所述合金包括过渡金属硅化物、氮化钛或氮氧化钛相，并且所述相具有大于2nm且小于10nm的谢乐晶粒尺寸。


2.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中M包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或Cu。


3.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中M包括碳。


4.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中所述合金包括过渡金属硅化物相。


5.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中所述合金包括具有氮化钛相或类氮化钛相的x射线衍射峰特征的相，其中，使用Cu-kα1射线进行测量，与所述氮化钛相或所述类氮化钛相相关联的最大x射线衍射峰具有大于0.9°2θ且小于4°2θ的半峰全宽。


6.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中所述合金包括具有小于或等于60纳米的谢乐晶粒尺寸的硅单质相。


7.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中所述合金的所述相中的每一者包括一种或多种晶粒，并且其中根据谢乐公式，所述合金的x射线衍射图谱不包括其FWHM对应于大于60nm的晶粒尺寸的可检测Cu-Kα1衍射峰。


8.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中所述合金的所述相中的每一者包括一种或多种晶粒，并且其中根据谢乐公式，所述合金的x射线衍射图谱不包括与硅单质相关联的其FWHM对应于大于2nm的晶粒尺寸的可检测Cu-Kα1衍射峰。


9.根据权利要求1所述的电化学活性材料，其中所述合金具有小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·N·奥布罗瓦茨，王玉坤，曹思萌，
申请(专利权)人：庄信万丰股份有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB