在电池的负电极中使用的粉末以及包括此类粉末的电池制造技术

本发明专利技术公开了一种用于电池的负电极中的粉末，该粉末包括以下物质的混合物：基于数量的第一分率的颗粒，该基于数量的第一分率的颗粒包括含碳基质材料和分散在其中的硅基颗粒；和基于数量的第二分率的颗粒，该基于数量的第二分率的颗粒包括包含平均尺寸为至少10nm并且至多45nm的石墨域的无Si含碳颗粒，如通过应用于归属于C(002)的粉末的X射线衍射峰的谢尔公式所测定的，该峰在介于26

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在电池的负电极中使用的粉末以及包括此类粉末的电池
[0001]
和
技术介绍

[0002]本专利技术涉及用于电池的负电极中的粉末以及包括此类粉末的电池。
[0003]锂离子(Li离子)电池是当前性能最佳的电池并且已经成为便携式电子设备的标准。此外，这些电池已经渗透到其他行业如汽车和电存储行业并得以快速发展。此类电池的有利优势为高能量密度结合良好的动力性能。
[0004]Li离子电池通常包含多个所谓的Li离子电池单体，这些电池单体又包含正电极(也称为阴极)、负电极(也称为阳极)和浸入电解质中的隔板。使用电化学活性材料如锂钴氧化物或锂钴镍锰氧化物作为阴极并使用天然或人造石墨作为阳极，开发了便携式应用最常用的Li离子电池单体。
[0005]已知，影响电池性能并且具体地讲电池能量密度的重要限制性因素之一是阳极中的活性材料。因此，为了改善能量密度，过去几年已经研究了在负电极中使用包含硅的电化学活性材料。
[0006]在本领域中，含Si基电化学活性粉末的电池的性能一般通过全电池的所谓循环寿命来量化，该全电池的所谓循环寿命被定义为包含此类材料的电池单体在达到其初始放电容量的80％之前可以被充电和放电的次数或循环数。因此，大多数硅基电化学活性粉末的工作都集中于改善循环寿命上。
[0007]在阳极中使用硅基电化学活性材料的缺点是其在充电期间的大的体积膨胀，当锂离子(例如通过合金化或插入)完全掺入阳极的活性材料中(这一过程通常被称为锂化)时，该体积膨胀高至300％。在锂掺入期间硅基材料的大的体积膨胀可引起硅基颗粒中的应力，这继而可导致硅材料的机械降解。在周期性重复Li离子电池的充电和放电期间，硅基电化学活性材料的重复机械降解可使电池的寿命减少至无法接受的水平。
[0008]另外，与硅相关联的负面效应是可能在阳极上形成厚SEI(固体电解质界面)。SEI是电解质和锂的一种复杂的反应产物，其导致可参与电化学反应的锂的损失，进而导致较差的循环性能，即每次充电
‑
放电循环的容量损失。厚SEI可进一步增大电池的电阻，从而限制其以大电流充电和放电的能力。
[0009]原则上，SEI形成是自我终止的过程，一旦在硅基材料的表面上形成“钝化层”就停止该过程。
[0010]然而，由于硅基颗粒的体积膨胀，硅基颗粒和SEI两者可能在放电(锂化)和再充电(脱锂)期间被损坏，从而释放新的硅表面并导致开始形成新的SEI。
[0011]为了解决上述缺点，通常使用复合粉末。在这些复合粉末中，纳米级的硅基颗粒与至少一种适用于保护硅基颗粒免受电解质分解并适应体积改变的组分混合。此类组分可以是碳基材料，优选地形成基质。
[0012]复合粉末通常另外包含石墨颗粒，以将其比容量调节到实际水平，其介于500mAh/g和1500mAh/g之间。
[0013]例如，此类复合粉末在EP 3238296 B1中提及，其中公开了一种颗粒的混合物，该颗粒混合物包括嵌入基质中的硅域和未嵌入基质中的石墨颗粒。在EP 2523241 A1中，公开
了一种包括含碳核的粉末，该含碳核具有在其表面和金属颗粒上连续形成的非晶碳层。X.Yang等人(《电化学和固态字母(ECS Solid State Letters)》，1(2)M5
‑
M7(2012))，公开了一种包括纳米尺寸的Si颗粒混合物的粉末，该Si颗粒混合物分散在由石墨片和热解碳构成的碳基质中。在WO 2019/218503 A1中，公开了一种具有分散在其中的纳米硅的复合碳材料，其中该复合碳材料包括石墨结晶相和非晶碳相。在US 2020/006753 Al中，公开了一种包含含纳米硅物质、多层石墨烯、石墨材料和结合剂的电极。在US2016/043384Al中，公开了一种阳极层组合物，其中阳极活性材料(诸如硅)驻留在固体石墨烯泡沫的孔中。
[0014]尽管使用了此类复合粉末，但在含Si基电化学活性粉末的电池性能方面仍然存在改善的空间。具体地，现有复合粉末一旦用于电池，就不允许实现长循环寿命和高倍率性能两者，例如用于快速充电电动车辆。
[0015]本专利技术的目的是，提供一种稳定的电化学活性粉末，该粉末包括硅基颗粒和石墨颗粒的混合物，该粉末一旦用于Li离子电池中的负电极中就是有利的，因为其允许实现长循环寿命且伴有高倍率性能。

技术实现思路

[0016]该目的通过提供根据实施方案1的粉末来实现，该粉末一旦用于Li离子电池的阳极中，就允许实现长循环寿命和高倍率性能，如在与反例1至反例3相比的实施例1至实施例3中所展示的。
[0017]本专利技术涉及以下实施方案：
[0018]实施方案1
[0019]在第一方面，本专利技术涉及一种适用于电池的负电极中的粉末，该粉末包括以下物质的混合物：
[0020]‑
基于数量的第一分率的颗粒，该基于数量的第一分率的颗粒包括含碳基质材料和分散在含碳基质材料中的硅基颗粒，和
[0021]‑
基于数量的第二分率的颗粒，该基于数量的第二分率的颗粒包括包含石墨域的无Si含碳颗粒，
[0022]该粉末的特征在于：
[0023]‑
通过应用于粉末的归属于C(002)的X射线衍射峰的谢乐(Scherrer)公式进行测定，无Si含碳颗粒中包含的该石墨域具有至少10nm且至多45nm的平均尺寸，该X射线衍射峰在介于26
°
和27
°
之间的2θ
Cu
处具有最大强度Ic，并且
[0024]‑
包括含碳基质材料和分散在含碳基质材料中的硅基颗粒的该颗粒不含尺寸大于5nm的石墨域、优选地不含尺寸大于2nm的石墨域。
[0025]适用于电池的负电极中的粉末意指包括电化学活性颗粒的电化学活性粉末，该电化学活性颗粒能够分别在电池的负电极的锂化和脱锂期间存储和释放锂离子。此类粉末可以等效地称为“活性粉末”。
[0026]第一分率和第二分率的混合物是指粉末包括两种类型颗粒的混合物，来自第一分率的颗粒与来自第二分率的颗粒不同。两个分率均不同于零。
[0027]此外，在根据本专利技术的粉末中，来自一个分率的颗粒不能包含在来自其他分率的颗粒中。具体地，无Si含碳颗粒包括平均尺寸为至少10nm且至多45nm的石墨域，该无Si含碳
颗粒不能存在于包括含碳基质材料的颗粒中。然而，来自两个分率的颗粒之间可能存在一些接触，该接触位于其外表面。为了确保粉末具有良好的电子电导率，从而使包括粉末的电池具有高倍率性能，这甚至是优选的。
[0028]基于数量的颗粒分率是指在具有或不具有图像分析程序的帮助下，颗粒分率基于对粉末中包括的颗粒的最小数量的视觉分析。这种颗粒的最小数量为至少100个颗粒。在“分析方法”部分中提供了测定基于数量的颗粒分率的示例。
[0029]硅基颗粒可具有任何形状，例如基本上球形，但也可是不规则形状、杆形、板形等。
[0030]在硅基颗粒中，硅大部分以硅金属形式存在，其中可能已经添本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电池的负电极中的粉末，所述粉末包括以下物质的混合物：
‑
基于数量的第一分率的颗粒，所述基于数量的第一分率的颗粒包括含碳基质材料和分散在所述含碳基质材料中的硅基颗粒，和
‑
基于数量的第二分率的颗粒，所述基于数量的第二分率的颗粒包括包含石墨域的无Si含碳颗粒，所述粉末的特征在于：
‑
通过应用于粉末的归属于C(002)的X射线衍射峰的谢乐公式进行测定，所述无Si含碳颗粒中包含的所述石墨域具有至少10nm且至多45nm的平均尺寸，所述X射线衍射峰在介于26
°
和27
°
之间的2θ
Cu
处具有最大强度I
c
，并且
‑
包括含碳基质材料和分散在所述含碳基质材料中的硅基颗粒的所述颗粒不含尺寸大于5nm的石墨域、优选地不含尺寸大于2nm的石墨域。2.根据权利要求1所述的粉末，其中所述石墨域的平均尺寸为至少12nm并且至多39nm。3.根据权利要求1或2所述的粉末，所述粉末的特征在于，所述粉末的X射线衍射图具有归属于C(002)的峰和归属于Si(111)的峰，所述归属于C(002)的峰在介于26
°
和27
°
之间的2θ
Cu
处具有最大强度I
c
，所述归属于Si(111)的峰在介于28
°
和29
°
之间的2θ
Cu
处具有最大强度I
s
，比率I
c
/I
s
大于或等于0.2并且小于或等于2.0。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的粉末，其中包含石墨域的所述无Si含碳颗粒的特...

【专利技术属性】
技术研发人员：封坤，博阿斯，
申请(专利权)人：尤米科尔公司，
类型：发明
国别省市：