预锂化硅粒子及其形成方法技术

本公开提供一种制造用于循环锂离子的电化学电池的负电极材料的方法。所述方法包括通过使前体与离心雾化反应器中的旋转表面接触而离心分布包含硅、锂和选自铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锆(Zr)、钇(Y)、铈(Ce)及其组合的附加金属(M)的前体，和固化所述前体以形成许多基本圆形的固体电活性粒子，其包含Li

【技术实现步骤摘要】
预锂化硅粒子及其形成方法


[0001]本专利技术涉及预锂化硅粒子及其形成方法。

技术介绍

[0002]这一节提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0003]需要高级储能设备和系统以满足各种产品，包括汽车产品，如启停系统（例如12V启停系统）、电池组辅助系统、混合动力汽车（“HEV”）和电动汽车（“EV”）的能量和/或功率要求。典型的锂离子电池组包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。两个电极之一可充当正电极或阴极，另一个电极可充当负电极或阳极。可将隔离件和/或电解质布置在负电极和正电极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子并且，类似于两个电极，电解质可以是固体和/或液体形式和/或它们的混合形式。在包括固态电极和固态电解质的固态电池组的情况下，固态电解质可物理分隔电极以致不需要独立的隔离件。
[0004]常规可充电锂离子电池组通过在负电极与正电极之间来回可逆地传送锂离子来工作。例如，锂离子可在电池组充电过程中从正电极向负电极移动并在电池组放电时反向移动。这样的锂离子电池组可应需要向相关负载装置可逆供电。更具体地，可由锂离子电池组向负载装置供应电力直至有效耗尽负电极的锂含量。然后可通过使合适的直流电流在电极之间反向传送而将电池组再充电。
[0005]在放电过程中，负电极可含有较高浓度的嵌入锂，其被氧化成锂离子和电子。锂离子可例如经过插入的多孔隔离件的孔隙内所含的离子传导电解质溶液从负电极传送到正电极。同时，电子经由外电路从负电极传送到正电极。这样的锂离子可通过电化学还原反应同化到正电极的材料中。在其可用容量部分或完全放电后，电池组可通过外部电源再充电或再生，这逆转在放电过程中发生的电化学反应。
[0006]但是，在各种情况下，由于例如在首次循环过程中的转化反应和/或在负电极上形成固体电解质界面（SEI）层，以及由于例如持续的固体电解质界面破裂而持续发生的锂损失，一部分嵌入锂在首次循环后与负电极留在一起。锂离子的这样的永久损失可能导致电池组中的比能量和功率降低，这例如由不参与电池组的可逆运行的正电极质量增加造成。例如，锂离子电池组在首次循环后可能发生大于或等于大约5%至小于或等于大约30%的不可逆容量损失，在含硅负电极的情况下，在首次循环后大于或等于大约20%至小于或等于大约40%的不可逆容量损失。因此希望开发可解决这些挑战的改进的电极和电活性材料及其制造和使用方法。

技术实现思路

[0007]这一节提供本公开的一般概述,并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。
[0008]本公开涉及用于循环锂离子的电化学电池的预锂化电活性材料和形成预锂化电活性材料的方法。所述预锂化电活性材料可包括球形锂
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硅粒子和涂布在其上的钝化表面膜或钝化层。该方法可包括在离心雾化反应器中离心分布熔融前体，其中所述熔融前体包
含由Li
4.4x
Si
x
M
y
限定的硅合金粉末，其中x为大于0至小于或等于大约0.85，M是铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锆(Zr)、钇(Y)和铈(Ce)的至少一种，且y对应于大于或等于0.1重量%至小于或等于大约10重量%的M的重量百分比。
[0009]在各种方面中，本公开提供一种制造用于循环锂离子的电化学电池的负电极材料的方法。所述方法包括使包含硅、锂和选自铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锆(Zr)、钇(Y)、铈(Ce)及其组合的金属(M)的前体与离心雾化反应器中的旋转表面接触和固化所述前体以形成许多基本圆形的固体电活性粒子。所述固体电活性粒子包含Li
4.4x
Si
x
M
y
，其中x为大于0至小于或等于大约0.85且y对应于大于或等于0.1重量%至小于或等于大约10重量%的M的重量百分比。
[0010]在一个方面，所述旋转表面可包括一个或多个金属涂层。各金属涂层可包含金(Au)、铝(Al)和银(Ag)的一种或多种。各金属涂层可具有大于或等于大约0.01
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m至小于或等于大约0.1
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m的厚度。
[0011]在一个方面，所述方法可进一步包括对于所述许多基本圆形的固体电活性粒子的每个基本圆形的固体电活性粒子，钝化金属(M)以在每个基本圆形的固体电活性粒子的暴露表面上形成钝化涂层。
[0012]在一个方面，钝化金属(M)可包括使所述许多基本圆形的固体电活性粒子暴露于氧或氮。
[0013]在一个方面，在离心分布过程中，离心雾化反应器中的温度可为大于或等于400℃至小于或等于1,000℃。
[0014]在一个方面，离心雾化反应器中的环境可具有小于或等于大约0.5重量%的任何含氧物质。
[0015]在一个方面，离心雾化反应器的流量可为大于或等于50千克/小时至小于或等于大约500千克/小时。
[0016]在一个方面，所述许多基本圆形的固体电活性粒子的平均D50直径可为大于或等于大约1 μm至小于或等于大约20 μm。
[0017]在一个方面，所述许多基本圆形的固体电活性粒子可具有小于或等于大约1.2的多分散指数。
[0018]在一个方面，所述方法可进一步包括制备前体。制备前体可包括如下形成混合物：使包含锂并具有第一温度的第一材料和包含硅并具有第二温度的第二材料在混合室中接触以形成第一混合物。第一材料和第二材料可各自在大于或等于大约10 PSI的压力下进入混合室。第二温度可高于第一温度。
[0019]在一个方面，第一温度可等于或高于锂的熔点温度，且第二温度可等于或高于硅的熔点温度。
[0020]在一个方面，可通过使用第一供给线路将锂从锂源引入混合室和使用第二供给线路将硅从硅源引入混合室而发生所述接触。
[0021]在一个方面，第一供给线路可包括第一计量泵且第二供给线路可包括第二计量泵。第一计量泵可控制锂进入混合室的压力和速率。第二计量泵可控制硅进入混合室的压力和速率。
[0022]在一个方面，所述方法可进一步包括从混合室中取出所述混合物，将附加金属(M)
添加到所述混合物中，和加热所述混合物和金属(M)以形成前体。
[0023]在各种方面中，本公开提供一种制造用于循环锂离子的电化学电池的负电极材料的方法。所述方法可包括使包含锂并具有第一温度的第一材料和包含硅并具有第二温度的第二材料在混合室中接触以形成前体。第一材料和第二材料可各自在大于或等于大约10 PSI的压力下进入混合室。第一温度可等于或高于锂的熔点温度。第二温度可等于或高于硅的熔点温度。所述方法可进一步包括将选自铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锆(Zr)、钇(Y)、铈(Ce)及组合的金属(M)添加到所述前体中并加热所述前体和金属(M)以形成熔融前体；和通过使熔融前体与离心雾化反应器中的旋转表面接触而离心分布熔融前体并固化熔融前体以形成许多基本圆形的固体电活性粒子。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造用于循环锂离子的电化学电池的负电极材料的方法，所述方法包括：使包含硅、锂和选自铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锆(Zr)、钇(Y)、铈(Ce)及其组合的金属(M)的前体与离心雾化反应器中的旋转表面接触和固化所述前体以形成许多基本圆形的固体电活性粒子，其包含Li
4.4x
Si
x
M
y
，其中x为大于0至小于或等于大约0.85且y对应于大于或等于0.1重量%至小于或等于大约10重量%的M的重量百分比。2.根据权利要求1的方法，其中所述旋转表面包括一个或多个金属涂层，其中各金属涂层包含金(Au)、铝(Al)和银(Ag)的一种或多种并具有大于或等于大约0.01
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m至小于或等于大约0.1
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m的厚度。3.根据权利要求1的方法，其进一步包括，对于所述许多基本圆形的固体电活性粒子的每个基本圆形的固体电活性粒子，钝化金属(M)以在每个基本圆形的固体电活性粒子的暴露表面上形成钝化涂层。4.根据权利要求3的方法，其中所述方法进一步包括：钝化金属(M)包括使所述许多基本圆形的固体电活性粒子暴露于氧或氮。5.根据权利要求1的方法，其中在所述接触过程中，离心雾化反应器中的温度为大于或等于400℃至小于或等于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓松，刘忠毅，B，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：