复合式负极活性材料球制造技术

本发明专利技术提出一种复合式负极活性材料球，其包含有一本质上无孔隙的导电金属核，以及多个分布在导电金属核表面且部分体积嵌入导电金属核中的硅或硅化合物颗粒，该些硅或硅化合物颗粒在与锂合金化或去合金化时仍与导电金属核维持良好接触，使该复合式负极活性材料球具备优异导电性能。备优异导电性能。备优异导电性能。

【技术实现步骤摘要】
复合式负极活性材料球


[0001]本专利技术提供一种锂电池的负极材料，尤指一种具有共享导电金属核的复合式负极活性材料球。

技术介绍

[0002]由于锂离子电池相较于其它的储能装置具有较高的能量密度和/或较长的寿命，因此广泛应用于各种产品，如交通运输的载具、消费性与工业应用的穿戴产品、可携设备与储能设备等等，几乎遍及人类日常生活上的各领域。
[0003]锂离子电池常用的负极活性材料为石墨，然而石墨因为理论放电的容量上限制(大约360mAh/g)，使其在高容量锂电池中的使用受到限制，因此其它能与锂合金化的材料，例如硅材料，逐渐受到重视，以取代石墨成为锂离子电池的负极活性材料。然而，硅材料虽然具有4200mAh/g的理论容量显著优异于石墨，但是硅材料在充电和放电期间会发生300％或更高的体积膨胀，膨胀的应力将导致硅材料沿着硅微晶(crystalline or boundary)破裂。
[0004]因此各种解决硅材料应用在锂电池负极的崭新架构被提出。举例来说，采用硅的纳米级颗粒(nanoparticle)或者细线(nano wire)，以通过颗粒的微小化来增加表面，将体积膨胀的应力释放，以避免碎裂。但是硅材料纳米化后将需要使用更多的导电材与黏着剂，导致极层可进行电化学反应的活性材料比例大幅降低。另外，纳米化将造成表面积过大，分散不易，使得浆料的制备较为困难。再者，较大表面积也导致具有较高阻值的SEI层的面积增加，并形成更大量的SEI层，造成锂资源的浪费。因此，由多个纳米硅材料所堆栈团聚形成的二次微粒架构被提出，在此架构中，位于内部的硅虽然可避免形成SEI层，但依然无法避免与锂反应所引起体积变异，导致原本抵接状态的硅颗粒间产生间隙，使得通过抵接点扩散的锂失去扩散途径。
[0005]另一种被提出的架构是具有纳米孔洞的微米级硅球，其通过纳米微孔的存在来分散体积膨胀所产生的应力。但是在相同重量下，具有纳米孔洞的微米级硅球的表面积与无孔洞的纳米级硅球表面积几乎是相同的，因此在电解质可以侵入纳米孔洞内形成SEI层的情况下，仍是存在大量SEI层再生与锂资源消耗的问题。
[0006]鉴于此，为解决上述缺点，衍生出于纳米孔洞内设置一填充材料，例如SiOx或Si/C。在化成后SiOx会形成Si与锂硅酸盐(LiSixOy)而就如同Si中夹了锂硅酸盐，而Si/C则是在初期就存在碳化物，以降低SEI层的形成面积。但锂硅酸盐的形成同样会导致锂的耗损，且填充材料的存在会使得整体的库伦效率降低且利用率下降。此外，还提出使用液态金属包覆多个纳米硅粉体的复合型态，如美国专利申请案，其申请号为16/514,953。此种型态的优势为整体表面积相对较小，导电性佳以及液态金属可作为应力吸收者。但液态金属因接触电解质所形成的SEI层相较于硅与电解质所形成的SEI层来说，结构稳定性差，易崩解。再者，液态金属在电化学反应上的库伦效率与利用率都是较差的。
[0007]有鉴于现有硅材的缺点，本专利技术提出一种崭新的复合式负极活性材料球，以解决
上述的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提供一种崭新的复合式负极活性材料球，其硅或硅化合物颗粒在与锂合金化与去合金化的体积变异过程能够通过嵌设于导电金属核中的部分来维持与导电金属核良好的接触，使该复合式负极活性材料球维持优异的电子传递能力。
[0009]本专利技术的又一目的在于提供一种崭新的复合式负极活性材料球，其导电金属核是选自于能与锂合金化的材料，因此可以在导电金属核材料未设置有硅或硅化合物颗粒前先进行预锂化，以在合成为复合式负极活性材料球后，金属核能够作为补锂来源，以降低充放电过程中锂离子不可逆的损失。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供一种崭新的复合式负极活性材料球，其该些硅或硅化合物颗粒间的部分固态电解质介面膜(SEI)是共享的而且导电金属核表面几乎是被该些硅或硅化合物颗粒覆盖遮蔽，因此能够有效降低该复合式负极活性材料球组配成锂电池构件时对电解质与锂离子的损耗。
[0011]本专利技术的又一目的在于提供一种崭新的复合式负极活性材料球，其利用微米级的导电金属核作为纳米级硅或硅化合物颗粒附着的载体，使混炼作为锂电池的负极极层浆料时具有易分散的尺度，以解决纳米级硅或硅化合物颗粒易团聚导致不易分散的缺点。
[0012]本专利技术的又一目的在于提供一种崭新的复合式负极活性材料球，其导电金属核相较于硅或硅化合物颗粒是硬度较低的材料，因此当硅或硅化合物颗粒因充电放电产生体积变异时，可以通过导电金属核来吸收体积变异所产生的应力。
[0013]为达上述目的，本专利技术提供一种复合式负极活性材料球，其包含有一导电金属核，其在室温具有一第一平均半径，以及多个分布在导电金属核表面的硅或硅化合物颗粒，其具有一第二平均半径，该硅或硅化合物颗粒与该导电金属核表面直接接触的部分体积嵌入导电金属核中，使该些硅或硅化合物颗粒在产生体积变异时仍与导电金属核直接接触，维持该复合式负极活性材料球具有良好电子传导特性，因此，导电金属核可以作为该些硅或硅化合物颗粒的共享内部导电组件。上述的第一平均半径是上述的第二平均半径的10倍以上。
[0014]以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本专利技术的目的、
技术实现思路
、特点及其所达成的功效。
附图说明
[0015]图1是本专利技术的复合式负极活性材料球结构示意图。
[0016]图2是使用本专利技术的复合式负极活性材料球所组成的电池芯结构示意图。
[0017]图3是嵌设于导电金属核表面上的相邻硅或硅化合物颗粒间的SEI膜呈现共享状态的示意图。
[0018]图4是硅或硅化合物颗粒部分体积嵌设于导电金属核中的示意图。
[0019]图5与图6皆是硅或硅化合物颗粒以不同粒径堆栈在导电金属核表面上，且与该导电金属核表面直接接触的硅或硅化合物颗粒的部分体积嵌设于导电金属核中的示意图。
[0020]图7是当硅或硅化合物颗粒以不同粒径堆栈在导电金属核表面时，该些硅或硅化
合物颗粒的固态电解质绝缘(SEI)层部分呈现共享状态的示意图。
[0021]图8是本专利技术的复合式负极活性材料球的另一结构示意图。
[0022]附图标记
[0023]10
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复合式负极活性材料球
[0024]12
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导电金属核
[0025]14
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硅或硅化合物颗粒
[0026]14a
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露出部分
[0027]14b
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嵌入部分
[0028]16
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导电材料
[0029]18
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SEI膜
[0030]18a
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共享SEI膜
[0031]19
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凹陷处
[0032]20
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电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合式负极活性材料球，其包含有:一导电金属核，其在室温具有一第一平均粒径；以及多个硅或硅化合物颗粒，其具有一第二平均粒径，该些硅或硅化合物颗粒分布在该导电金属核表面，其中该些硅或硅化合物颗粒直接接触该导电金属核表面且部分嵌设于该导电金属核中，该导电金属核为该些硅或硅化合物颗粒的共享内部导电组件；其中该第一平均粒径大于该第二平均粒径的10倍。2.根据权利要求1所述的复合式负极活性材料球，其中该导电金属核的材料是低熔点金属，其熔点低于232℃。3.根据权利要求2所述的复合式负极活性材料球，其中该导电金属核的材料是由铟、锡、铝、铋或者锗中选择至少两种所形成的合金。4.根据权利要求1所述的复合式负极活性材料球，其中该硅或硅化合物颗粒的材料是选自于纯硅、氧化硅或者氮化硅，或者上述至少两种的混合。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨思枬，
申请(专利权)人：辉能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：