作为锂离子电池阳极材料的涂敷碳的硅粒子粉末和其制造方法技术

一种生产涂敷的硅／碳粒子的方法，包括：提供形成残炭材料；提供硅粒子，用所述的形成残炭材料涂敷所述的硅粒子以形成涂敷的硅粒子；提供含碳材料粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的含碳材料粒子以形成涂敷的含碳粒子；将所述的涂敷的硅粒子嵌入所述的涂敷的含碳粒子以形成硅／碳复合粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的硅／碳复合粒子以形成涂敷的硅／碳复合粒子；通过对所述涂敷的复合粒子进行氧化反应处理稳定所述涂敷的复合粒子。所述涂敷的复合粒子基本上具有光滑的涂层。所述粒子可以涂有多层的形成残炭材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】作为锂离子电池阳极材料的涂敷碳的硅粒子粉末和其制造方法
本专利技术涉及用作电池电极活性材料的硅/碳复合材料。更具体的，本专利技术涉及特别用作电极材料的涂敷碳的硅粒子，及制造所述的涂敷碳的硅粒子的方法。专利技术背景人造石墨被广泛用作锂离子电池的标准阴极材料。其它的含碳物质由于它们的效率和合理的成本也广泛用于诸如此类的电池中。锂离子电池主要用作手提式的电子器件的电源。与其它类型的可再充电电池比如镍镉和镍金属氢化物蓄电池相比，锂离子电池由于相对高的存储容量和可再充电性越来越普及。由于相对于类似额定值的镍镉和镍金属氢化物蓄电池，每单位质量或者单位体积存储容量增加，锂离子电池较小的空间要求可以生产满足特定蓄电和供电要求的电池。因此，锂离子电池用于越来越多的器件中，比如数字照相机，数字录像机，电脑等等，其中从实用观点看特别希望紧凑的尺寸。尽管如此，再充电式锂离子蓄电池不是没有缺陷。这些缺陷可以借助于改进构造材料而最小化。使用人造石墨电极的商业锂离子电池的生产成本昂贵，而且具有低的相对锂容量。另外，目前用于锂离子电极的石墨制品接近它们的蓄能理论极限(372mAhr/g)。因此，本领域需要一种降低再充电式锂电池成本，并提供改进的操作性能，比如更高的能量密度，更大的可逆容量和更大的起始充电效率的改进的电极材料。也存在改进制造诸如此类电极材料的方法的需要。-->因为硅可以与相对大量的锂搀合提供更大的存储容量，所以已经研究硅作为锂离子电池的阳极材料。事实上，硅的理论锂容量大于石墨的十倍。然而，纯硅是一种差的电极材料，因为当锂化时其晶胞体积可以增加到大于300％。在循环期间这种体积膨胀破坏电极的机械完整性，导致在电池循环期间容量的迅速损失。，尽管与碳相比较硅可以保持更多的锂，但当锂引入到硅中时，硅会碎裂导致更少的电接触，这最终导致蓄电池再充电能力的降低。在解决硅体积膨胀问题方面持续的研究工作仅得到有限的结果。与碳和硅粉通过碾磨或者其它的机械法制造的机械混合物相比，硅/碳复合粒子或者粉末具有良好的循环寿命。作为下一代锂离子电池的阳极材料，涂敷薄膜硅的碳粒子薄膜或者涂敷碳的硅粉是石墨粉可能的代替物。然而，通常用于施加硅涂层或者碳涂层的化学气相沉积工艺具有固有的缺点，包括慢的沉积速率和/或昂贵的沉积前体。相对于大量硅粉的成本，蒸气沉积硅薄膜可能是极其昂贵的。因此，需要另外的生产涂敷的硅粒子方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种制造硅/碳复合材料的方法。所述硅/碳复合材料包括与涂敷碳粒子相结合的涂敷的硅粒子；其中得到的硅/碳复合粒子还涂有氧化的形成残炭材料的层。这些涂敷碳的硅/碳复合粒子可以用于制造蓄电池的电极，特别用于再充电式锂离子蓄电池。本专利技术组合物提供源自于各式各样的碳源的，大容量、高效率的涂敷碳的硅/碳复合粒子。在本专利技术的一个另外的方面，所述硅/碳复合粒子可以涂有多个形成残炭材料的层。在本专利技术再一个方面，复合粒子的涂层可以任选被碳化。本专利技术组合物提供具有基本上光滑涂层的涂敷碳的硅/碳复合粒子。另外，所述组合物特征在于良好的粉末流动性，这在将这些材料-->形成为有用的电极或者其它的本专利技术没有具体地描述的制品必要的处理或生产步骤期间特别有益。在本专利技术另外的方面，提供一种制造此类涂敷碳的硅/碳复合粒子的方法。根据本专利技术制备的涂敷碳的粉末不仅可以增加充电效率，而且提供优异的电极构造加工性能。在本专利技术又一另外的方面，提供一种制造蓄电池，特别是包括所述的涂敷碳的复合粒子的可再充电电池的方法。本专利技术又一另外的方面涉及所述的涂敷碳的复合粒子在蓄电池，特别是再充电式电池中的用途。本专利技术的这些及其他方面和特征从以下的专利技术说明书和其优选实施方式中显而易见。附图说明图1显示本专利技术复合碳-硅粒子的示意图。图2显示对于硅/碳复合粒子和未涂敷的硅粒子，在不同的低截止电势第一循环的充电和放电电势曲线的对比。图3显示如实施例2中制备的硅/碳复合粒子的扫描电子显微图象。图4显示对于在实施例2中生产的硅/碳复合粒子，在最初5个循环期间，在0.09-1.5伏的充电/放电电势窗的放电容量和充电效率。图5显示对于如实施例3制备的复合硅/碳粒子，在0.09-1.5伏之间充电/放电周期期间的容量和库仑效率。在不同的附图中同样的标记表示相同的元件。详细说明本专利技术提供一种制造硅/碳复合粒子的方法，当用作蓄电池，特别是再充电式蓄电池中的电极时，该粒子显示出改进的操作性能。通常，所述方法设计使涂敷的细硅粉与涂敷的含碳粒子混合以形成硅/碳复合-->粒子，进一步用形成残炭材料的层涂敷所述复合粒子。更具体地说，含碳材料基材粒子涂有可熔的形成残炭材料。已经涂有可熔的形成残炭材料的细硅粉粒子嵌入到涂敷的含碳粒子上以形成硅和含碳物质的复合粒子。所述硅/碳复合粒子进一步提供有至少单层的可熔的形成残炭材料。此后所述涂敷的硅/碳复合粒子通过使用氧化剂，使所述的涂敷复合粒子经氧化反应处理而稳定化。此后碳化所述稳定的涂敷复合粒子。尽管可以将未涂敷硅粒子嵌入到涂敷含碳的基底材料上，但优选所述硅粒子在嵌入到含碳的基底材料上之前进行涂敷，以相对于包括未涂敷硅粉的复合粒子增加循环能力和机械强度。所述硅/石墨复合粒子在稳定或者任选的碳化以后可以进一步涂有形成残炭材料的附加层。优选在施加硅粒子之前，在含碳粒子上施加涂层。优选的将涂敷硅粒子嵌入到涂敷的含碳基材上。做为选择，未涂敷的硅粒子可以嵌入在涂敷的含碳基材上。进一步，优选涂敷硅/碳复合粒子以增强所述复合物的机械强度，得到更长持续时间的硅复合物电极。优选，所述方法提供具有基本上光滑涂层的涂敷碳的硅/碳复合粒子。任选，所述复合粒子可以重复用形成残炭材料涂敷，以进一步增加粒子的机械强度。在优选实施方案中，需要含碳基底材料粒子以实施本专利技术。这些可以从各种各样的源得到，它的例子包括石油和煤焦油焦炭，合成和天然石墨，或者沥青以及其它的现有技术电极制造中已知的含碳物质源，尽管在这里没有阐明这些源。优选的含碳物质源包括焙烧或者未焙烧的石油焦炭以及人造石墨。优选的含碳物质源也包括焙烧或者未焙烧高度结晶的“针状体”焦炭。特别优选的含碳材料源包括天然石-->墨和薄片焦炭。因此，优选的含碳物质是石墨材料或者一经加热到2200℃或者更高的石墨化温度可形成石墨的材料。诸如此类含碳的基底材料微粒可以通过碾磨，压碎，研磨或者通过任何其它的可用于提供粉状的含碳基底材料(具有适合用于形成电极尺寸大小粒子)的装置方便地提供。尽管本专利技术原理被认为可以适用于不同的尺寸和粒度分布的含碳基材粒子，但优选含碳的基材粒子的平均粒度达到约50μm，更优选约1-约30μm。需要硅粒子以实施本专利技术；诸如此类粒子可以单独使用或者与含碳的基底材料同时使用。硅的纯度可以是普通的工业纯度即97-98wt％。尽管本专利技术原理被认为可以适用于不同尺寸和粒度分布的硅粒子，但优选硅粒子的平均粒度达到约50μm，更优选约0.03-约20μm。根据有创造性的方法的步骤，所述硅粒子，含碳基材粒子和硅/碳复合粒子提供有可熔的形成残炭材料作为涂层材料。优选用作涂层材料的是能够与氧化剂起反应的形成残炭材料。优选的化合物包括具有高熔点的和热分解之后具有高的碳产率的那些。举例说明有用的涂料涂层材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产涂敷的硅／碳粒子的方法，包括：提供形成残炭材料；提供硅粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的硅粒子以形成涂敷的硅粒子；提供含碳材料粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的含碳材料粒子以形成涂敷的含碳粒子；将所述的涂敷的硅粒子嵌入到所述的涂敷的含碳粒子中，以形成硅／碳复合粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的硅／碳复合粒子以形成涂敷的硅／碳复合粒子；及通过对所述的涂敷的复合粒子进行氧化反应处理，稳定所述涂敷的复合粒子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-12-19 10/741,3811.一种生产涂敷的硅/碳粒子的方法，包括：提供形成残炭材料；提供硅粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的硅粒子以形成涂敷的硅粒子；提供含碳材料粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的含碳材料粒子以形成涂敷的含碳粒子；将所述的涂敷的硅粒子嵌入到所述的涂敷的含碳粒子中，以形成硅/碳复合粒子；用所述的形成残炭材料涂敷所述的硅/碳复合粒子以形成涂敷的硅/碳复合粒子；及通过对所述的涂敷的复合粒子进行氧化反应处理，稳定所述涂敷的复合粒子。2.权利要求1所述的方法，其中以包括一种或多种溶剂和所述的形成残炭材料的溶液的形式提供所述的形成残炭材料。3.权利要求2的所述方法，其中在与所述的形成残炭材料溶液混合之前，以包括一种或多种溶剂的溶液中的悬浮物的形式提供所述硅粒子。4.权利要求2的所述方法，其中在与所述的形成残炭材料溶液混合之前，以包括一种或多种溶剂的溶液中的悬浮物的形式提供所述含碳材料粒子。5.权利要求2的所述方法，其中在与所述的形成残炭材料溶液混合之前，以包括一种或多种溶剂的溶液中的悬浮物形式提供所述硅/碳复合粒子。-->6.权利要求2所述的方法，进一步包括将一种或多种溶剂加入到形成残炭材料和所述粒子溶液的混合物中。7.权利要求1的所述方法，进一步包括在涂敷以后稳定所述硅粒子。8.权利要求1的所述方法，进一步包括在涂敷以后稳定所述含碳粒子。9.权利要求7所述的方法，进一步包括碳化所述硅粒子。10.权利要求8所述的方法，进一步包括碳化所述含碳粒子。11.权利要求9所述的方法，其中在惰性气氛下在约400℃-约1500℃的温度碳化所述粒子。12.权利要求10所述的方法，其中涂敷粒子在惰性气氛下约400℃-约1500℃温度碳化，粒子加入到包括一种或多种溶剂和形成残炭材料的溶液中，以使所述涂敷的硅粒子嵌入所述涂敷含碳粒子。13.权利要求2所述的方法，其中所述溶剂选自甲苯、苯、二甲苯、喹啉、四氢呋喃、四氢萘、萘、甲醇、丙酮、甲基吡咯烷酮、环己烷、醚和水。14.权利要求2所述的方法，其中在高温下混合所述形成残炭材料的溶液，以使所述形成残炭材料溶解在一种或多种溶剂中。15.权利要求2所述的方法，其中在高温下混合所述粒子的悬浮液。-->16.权利要求2所述的方法，其中在所述形成残炭材料溶液和所述粒子悬浮液混合物中，一种或多种溶剂与所述形成残炭材料的比为2∶1或更大。17.权利要求2所述的方法，其中在所述形成残炭材料溶液和所述粒子悬浮液的混合物中，一种或多种溶剂与所述形成残炭材料的比为4∶1或更大。18.权利要求1所述的方法，其中所述涂敷的硅粒子和所述的涂敷的含碳粒子加入到形成残炭材料的溶液中，以使所述涂敷的硅粒子嵌入到所述含碳粒子上。19.权利要求1所述的方法，其中在环境压力或者更高的压力下，沉积所述形成残炭材料的涂层。20.权利要求19所述的方法，其中在约-5℃-约400℃的温度下沉积所述形成残炭材料涂层。21.权利要求1所述的方法，其中所述形成残炭材料的涂层是均匀的，而且基本上是光滑的。22.权利要求1所述的方法，其中用形成残炭材料进一步涂敷所述稳定的涂敷的硅/碳复合粒子，以形成形成残炭材料的另外的涂层。23.权利要求22所述的方法，其中用形成残炭材料进一步涂敷所述多次涂敷的硅/碳复合粒子，以形成形成残炭材料的另外的涂层。24.权利要求22所述的方法，其中碳化所述硅/碳复合粒子最后的涂层。-->25.权利要求1所述的方法，其中所述含碳粒子包括选自石油沥青、焙烧的石油焦炭、未焙烧石油焦炭、高度结晶焦炭、煤焦油焦炭、人造石墨、天然石墨、来源于有机聚合物的软质炭黑和来源于天然聚合物的软质炭黑的粉状的含碳材料。26.权利要求1所述的方法，其中所述含碳粒子的平均粒度高达约50μm。27.权利要求1所述的方法，其中所述含碳粒子的平均粒度为约1μm-约30μm。28.权利要求1所述的方法，其中所述硅粒子的平均粒度高达约50μm。29.权利要求1所述的方法，其中所述硅粒子的平均粒度为约0.03μm-约20μm。30.权利要求2所述的方法，其中通过在所述粒子上有选择地沉淀所述形成残炭材料，将所述形成残炭材料沉积在所述粒子表面上。31.权利要求1所述的方法，其中所述形成残炭材料是选自来自化学加工的石油和煤的重的芳香残余物、来自制浆工业的木质素、酚醛树脂和碳水化合物材料的聚合材料。32.权利要求1所述的方法，其中所述形成残炭材料选自石油沥青、煤焦油沥青或者通过化学方法生产的沥青。33.权利要求1所述的方法，其中在氧化剂存在下进行所述氧化反应。-->34.权利要求33所述的方法，其中在高温下进行所述氧化。35.权利要求34所述的方法，其中以控制方式以一定的升温速度提供高温并保持一段时间。36.权利要求33所述的方法，其中在减压下进行氧化。37.一种涂敷的硅/碳复合粒子，包括涂敷的硅和涂敷的含碳粒子核，所述的核进一步涂敷有形成残炭材料的层。38.权利要求37所述的涂敷复合粒子，其中所述复合粒子包括选自石...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛振华，巴拉特沙哈，
申请(专利权)人：科诺科飞利浦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]