负极活性材料及其制备方法技术

一种负极活性材料，包含：　　　　金属活性材料颗粒；　　　　纤维状金属颗粒；和　　　　碳质材料，其用于覆盖金属活性材料颗粒和纤维状金属颗粒并使它们彼此结合。

【技术实现步骤摘要】
负极活性材料及其制备方法
本专利技术涉及一种负极活性材料及其制备方法，且更特别地，涉及一种包括碳质材料的负极活性材料，其当包含在电池内时通过使碳质材料结合和覆盖金属活性材料颗粒和纤维状金属颗粒以抑制体积变化能够改善电池循环特性，以及涉及该负极活性材料的制备方法。
技术介绍
为了获得高电压和高能量密度，已对使用锂化合物作为负极的非水电解质二次电池深入地进行了研究和开发。具体地，在早期，由于高电池容量，金属锂已成为深入研究的主题，其中锂作为最突出的负极材料获得了很大的关注。但是，当使用金属锂作为负极材料时，大量锂以枝状晶体形式沉积在负极表面，其可降低充电和放电效率或导致负极和正极之间的内部短路。另外，锂对热或冲击非常敏感且由于其不稳定性(即高反应性)而容易爆炸，这已抑制了其商业化。为了消除使用这种传统金属锂的上述问题，已提出了使用碳材料作为负极材料的方法。碳负极进行氧化还原反应，使得电解液中存在的锂离子在充电和放电循环期间嵌入到具有晶格结构的碳质负极和从中脱嵌，而无需使用金属锂，这被称为“摇椅型”负极。碳质负极通过克服与金属锂有关的各种缺点已对于锂电池的广泛使用带来了巨大贡献。但是，随着电子装置小型化和变轻，且便携式电子装置的使用普及，开发具有更高容量的锂二次电池已成为主要的焦点。由于碳质负极的多孔性，使用碳质负极的锂电池基本上具有低电池容量。例如，石墨(其为超高结晶材料)当通过与锂离子反应转变为LiC6形式的合金时，具有约372mAh/g的理论容量密度。这仅为金属锂(即3860mAh/g)的约10％。因此，尽管传统金属负极存在多种问题，但是对于使用金属锂作为负极材料改善电池容量的研究仍在积极地进行。已知含锂的合金如锂-铝、锂-铅、锂-锡、或锂-硅的电容量大于碳质材料。但是，当使用两种或多种金属的这种合金或者使用单一金属时，锂枝-->状晶体的形成可导致若干问题(例如电池短路)。因此，已对溶液进行各种研究以避免这些问题，同时通过将含锂的合金与碳质材料混合来提高电池的电容量。但是，在这种情况下，金属材料和碳质材料之间体积膨胀上的差异可导致金属材料与存在的电解质反应。在充电循环期间，用作负极材料的锂离子嵌入到负极中。在这种情况下，负极的总体积膨胀，导致致密的负极结构。在放电循环期间，锂从负极中脱嵌，变成离子态，导致负极材料体积的降低。由于金属材料和碳质材料具有彼此不同的膨胀系数，当负极材料收缩时可在负极结构中产生空间，导致在该空间中形成的开口中的电绝缘，由此禁止电子的流畅迁移并且使电池的寿命劣化。为了克服该问题，日本公开专利No.2001-196065公开了通过将活性材料与用于提供弹性和孔隙的聚合物添加剂混合而制得的电极。聚合物添加剂简单地通过在电极制备过程中与活性材料混合而向活性材料提供弹性和孔隙，由此改进循环特性。但是，由于聚合物添加剂未结合活性材料，当长期使用之后聚合物添加剂的弹性降低时可导致电绝缘。日本公开专利No.2004-158205公开了一种具有使用粘合剂混合的两种不同表面密度的石墨颗粒的活性材料。更详细地，所公开的活性材料包含混合的球形颗粒和针形颗粒，以降低形成活性材料的每个颗粒之间的孔隙，由此获得较高能量密度的活性材料。另外，韩国专利公开申请No.2001-105622描述了一种具有球形石墨颗粒和片状石墨颗粒的负极活性材料，通过其改进电解质溶液的浸渍，因此负极活性材料显示增强的静电容量。但是，所公开的制备方法的一个主要缺陷在于，这些方法仅限于在充电和放电循环期间经历小体积膨胀的活性材料，例如石墨。也就是说，所公开的制备方法不能适用于这样的情形：其中电极含有在充电和放电循环期间经历大体积膨胀的活性材料，例如金属材料。同时，韩国专利公开No.2003-29156公开了一种形成电极的方法，包括：形成通过将溶解于溶剂中的导电金属粉末和硅粉与粘合剂混合制备的浆料，将制得的浆料涂覆在集电体上，干燥，和煅烧所获得的产物。所公开的方法存在的缺陷在于：电极具有差的柔韧性，也就是说，电极不能弯曲，使得通过层压法来组装电池。在这种情况下，该电极不具有能够浸渍电解质溶液的材料。因此，考虑到电解质泄漏、高速放电特性、和高温放-->电特性，该技术是有问题的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种当包含在电池内时能够改进电池循环特性的负极活性材料。本专利技术还提供了一种制备能够改进电池循环特性的负极活性材料的方法。本专利技术还提供了一种利用该负极活性材料的负极。本专利技术还提供了一种通过利用该负极而具有改进的初始效率和充放电容量的锂电池。依据本专利技术的一个方面，提供了一种负极活性材料，其包含：金属活性材料颗粒；纤维状金属颗粒；和碳质材料，其用于覆盖金属活性材料颗粒和纤维状金属颗粒并使它们相互结合。在本专利技术的另一实施方式中，纤维状金属颗粒的纵横比范围为1∶2～1∶200。在本专利技术的另一实施方式中，纤维状金属颗粒的电阻率小于20×10-8Ωm。在本专利技术的另一实施方式中，每个纤维状金属颗粒的直径均小于1000nm。在本专利技术的另一实施方式中，金属活性材料颗粒包含选自Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb和其组合中的至少一种金属。在本专利技术的另一实施方式中，纤维状金属颗粒由金属、金属合金、或金属-碳复合材料制成。依据本专利技术的另一方面，提供了一种制备负极活性材料的方法，该方法包括：混合金属活性材料粉末、纤维状金属颗粒和碳质材料前体，以获得混合物；粉碎获得的混合物；和煅烧粉碎的混合物。在本专利技术的另一实施方式中，碳质材料前体包含选自乙烯基树脂、酚基树脂、纤维素基树脂、沥青基树脂、和焦油基树脂的至少一种树脂。在本专利技术的另一实施方式中，在粉碎获得的混合物时，采用选自高能研磨、机械-熔融(mechano-fusion)、球磨、和锤磨的至少一种粉碎技术。在本专利技术的另一实施方式中，在煅烧时，在约500～约1400℃的煅烧-->温度下处理粉碎的混合物。在本专利技术的另一实施方式中，在混合反应物材料时，优选地调节混合比例，使得基于金属活性材料粉末的重量，纤维状金属颗粒和碳质前体的含量分别为0.01～20重量％和0.1～20重量％。依据本专利技术的另一方面，提供了含有该负极活性材料的负极。依据本专利技术的另一方面，提供了包含该负极的锂电池。附图说明通过参照附图详细地描述本专利技术的示例性实施方式，本专利技术的上述和其它特征与优点将变得更清楚，其中：图1为本专利技术实施例1中制得的纤维状碳-钴复合颗粒的SEM(扫描电子显微镜)照片；图2为本专利技术实施例2中制得的负极活性材料的SEM(扫描电子显微镜)照片；图3为本专利技术对比例1中制得的负极活性材料的SEM(扫描电子显微镜)照片；和图4为显示本专利技术实施例4与对比例4和5中制得的锂电池初始充电-放电容量的图。具体实施方式下文中将参照附图更全面地描述本专利技术，其中显示本专利技术的示例性实施方式。由于金属的明显体积变化，用于高容量负极活性材料的金属活性材料趋于减弱含有该金属活性材料的电池的充放电特性。特别地，在其中在电池中碳质材料覆盖在金属表面上的情况下，由于电池的重复充放电循环，碳质覆盖层可被破坏，由此导致电短路和使电池的锂离子的可逆的充放电操作不能进行。为了克服该问题，本专利技术提供了一种含有通过碳质材料彼此结合的金属活性材料颗粒和纤维状金属颗粒的负极活性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负极活性材料，包含：金属活性材料颗粒；纤维状金属颗粒；和碳质材料，其用于覆盖金属活性材料颗粒和纤维状金属颗粒并使它们彼此结合。

【技术特征摘要】
1、一种负极活性材料，包含：金属活性材料颗粒；纤维状金属颗粒；和碳质材料，其用于覆盖金属活性材料颗粒和纤维状金属颗粒并使它们彼此结合。2、权利要求1的负极活性材料，其中该纤维状金属颗粒的纵横比(长度/直径)为1∶2～1∶200。3、权利要求1的负极活性材料，其中该纤维状金属颗粒的电阻率小于20×10-8Ωm。4、权利要求1的负极活性材料，其中每个该纤维状金属颗粒的直径均小于1000nm。5、权利要求1的负极活性材料，其中该金属活性材料颗粒包括选自Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb和其组合的至少一种。6、权利要求1的负极活性材料，其中该纤维状金属颗粒为金属棒或金属管的形式。7、权利要求1的负极活性材料，其中该纤维状金属颗粒由金属、金属合金、或金属-碳复合材料制成。8、权利要求7的负极活性材料，其中该纤维状金属颗粒包括选自Co、Ni、Cu、Ag、Pt、Mg、Au、Ti、Fe、Zn、Mo、W、Mn、Cr、Al、Sn和Pb的至少一种金属。9、权利要求1的负极活性材料，其中该碳质材料是通过碳化选自下...

【专利技术属性】
技术研发人员：金圭成，咸龙男，金翰秀，林东民，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR