具有核-壳结构的电极活性材料制造技术

本发明专利技术公开了一种具有核-壳结构的电极活性材料，其包括：(a)能够插入和放出锂离子的核；和(b)包含当用电解质浸渍时玻璃化转变温度为25℃以下的聚合物或低聚物的壳，其中所述核的表面由所述壳包覆。此外，公开了通过使用所述电极活性材料制造的电极和包含所述电极的二次电池。所述壳(b)在电池初始充电期间抑制SEI层的形成，并阻止了初始容量降低。因此，可以获得高容量电池。具有核-壳结构的电极活性材料、特别是具有核-壳结构的金属(准金属)基电极活性材料能够具有比常规电极活性材料、特别是常规金属(准金属)基电极活性材料稍高的电容量，并且能够使在充电/放电期间的气体产生最小化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及为了提高电池的初始容量、在充电/放电期间稳定电化学性能并保持高容量而设计的电极活性材料。
技术介绍
人们对能量存储技术产生了日益增加的兴趣。已经广泛地将电化学装置用作便携式电话、便携式摄像机、笔记本电脑、PC和电动汽车的能源，从而导致深入的研究和开发。就 此而言，电化学装置是至关重要的主题。特别地，开发可充电二次电池成为了关注的焦点。此外，在开发这类电池期间，最近已经对新型电极和新型电池的设计进行了研究，从而提高容量密度和比能量。在目前所使用的二次电池中，在20世纪90年代早期开发的锂二次电池的驱动电压和能量密度，通常比使用水性电解质的常规电池如Ni-MH电池、Ni-Cd电池、H2SO4-Pb电池高，因而它们在二次电池领域中令人瞩目。一般通过使用阴极和阳极以及电解质来制造锂二次电池，所述阴极和阳极包括能够插入/放出锂离子的电极活性材料，所述电解质充当锂离子的传导介质。同时，锂二次电池是可充电和可放电的，因为在充电过程期间从阴极活性材料中放出的锂离子会插入到阳极活性材料中，并在放电过程期间放出，使得锂离子在用来传递能量的同时在两个电极之间移动。然而，在锂二次电池中，存在的问题是在充电/放电期间，在电池内因在电极表面上充当电解质的非水电解质溶液、特别是碳酸酯有机溶剂发生分解而发生副反应。此外，当具有大分子量的电解质溶剂如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)等共同插入在碳基阳极的石墨层之间时，阳极的结构可能会坍塌。已知通过在电池初始充电期间在阳极表面上形成的固体电解质界面(SEI)层，能够解决上述问题，所述SEI层允许锂离子通过，同时充当阳极表面的保护层。同时，推测在初始充电期间通过电解质成分的还原即电解质和碳基阳极活性材料之间的反应来形成SEI层，但是电池内的锂离子不可逆地参与所述形成，从而降低电池的初始容量。因此，难以获得高容量电池。作为阳极活性材料，主要使用碳材料。当使用碳材料时，由于碳的电势相对于锂的电势低而能够获得高电压电池，但是难以获得高容量电池，因为最大理论容量仅为约370mAh/g。作为获得高容量电池的尝试，对利用高电容量的金属或准金属基活性材料如Si来取代碳电极活性材料的方法进行了研究。然而，当使用金属(准金属)基活性材料时，体积因插入/放出锂离子而显著变化，从而引起待解决的问题，如因活性材料的分解而使循环性能下降、因在充电/放电期间气体大量产生而使电池稳定性下降等。
技术实现思路
技术问题在解决二次电池初始容量下降问题的过程中，本专利技术的专利技术人专利技术了引入具有核-壳结构的电极活性材料代替常规的电极活性材料，所述核-壳结构具有(a)能够插入和放出锂离子的核和(b)包括特定聚合物或特定低聚物的壳。更具体地，本专利技术人发现，当将聚合物或低聚物(当用电解质浸溃时玻璃化转变温度为25°C以下)用于壳(b)时，所述壳(b)能够通过在电池初始充电期间抑制SEI层的形成而防止初始容量下降，且所述壳(b)能够包括常规SEI的功能。此外，已知壳(b)在电 池工作温度范围内能够具有足够的弹性，因而不易因电池充电/放电所引起的核体积变化而坍塌，从而能够有助于提高电池稳定性。此外，本专利技术人发现，在使用金属(准金属)基活性材料如Si作为电极活性材料过程中，当使用包含在金属(准金属)基活性材料表面上包覆的壳(b)的核-壳结构的电极活性材料时，使在电池充电/放电期间的气体产生最小化，从而解决因使用金属(准金属)基活性材料而引起的电池稳定性下降的问题。其中，所述壳包括当用电解质浸溃时玻璃化转变温度为25°C以下的聚合物或低聚物。本专利技术是以该发现为基础的。技术方案根据本专利技术的一个方面，提供一种具有核-壳结构的电极活性材料，其包含(a)核，其能够插入和放出锂离子；和(b)壳，其包含当用电解质浸溃时玻璃化转变温度为25°C以下的聚合物或低聚物，其中所述核的表面由所述壳包覆。此外，本专利技术提供通过使用所述电极活性材料而制造的电极。此外，本专利技术提供包含所述电极的二次电池。下文中，将详细说明本专利技术。本专利技术的电极活性材料的特征在于具有核-壳结构，其中在能够插入和放出锂离子的核(a)的表面上，包覆有包含聚合物或低聚物(当用电解质浸溃时，玻璃化转变温度为25°C以下)的壳(b)。所述核(a)能够重复地插入/放出锂离子，使得电池进行充电/放电。此外，所述核(a)包括具有高电容量的金属(准金属)，因而可以获得高容量电池。在本专利技术中，所述壳(b)用电解质浸溃，因而不会阻止锂离子移入核(a)中。此外，所述壳(b)能够在初始充电期间抑制SEI层形成，因而阻止电池初始容量降低，从而使电池容量最大化。此外，所述壳(b)能够使在电池充电/放电期间的气体产生最小化，从而提高电池的稳定性。通常，在电池充电/放电期间，电解质在阴极和阳极之间传递锂离子，并且通过在初始充电期间在电池内与锂离子进行反应可在阳极活性材料表面上形成钝化层(SEI层)。然而，一般，在二次电池工作期间，在初始循环期间，发生电容量降低。推测这是因为在电池初始充电期间SEI层形成消耗电解质内的许多锂离子。特别地，在理论容量小的碳基电极活性材料中这种初始容量降低更有问题。此外，所述SEI层通常包括无机材料如LiF、Li2CO3等，因而不能阻止因在电池充电/放电期间由插入放出锂离子插入和放出而引起的电极活性材料的体积变化。因此，在SEI层上，会产生裂纹，通过所述裂纹，阳极活性材料和电解质可能相互连续地接触/反应，从而降低电池性能。具体地，在阳极活性材料与电解质反应期间，电解质可能会发生分解，因而可能会连续地产生气体如C02。然后，所述气体可能会降低电池稳定性，并增加电池厚度，从而在装置如蜂窝式电话、笔记本PC等中产生问题。特别地，当使用体积因锂离子的插入/放出而可变化高达200 300%的金属(准金属)基电极活性材料时，这种问题更明显。然而，根据本专利技术，壳(b)抑制能够插入/放出锂离子的核(a)与非水电解质的直 接接触，因而能够阻止在电池初始充电期间SEI层的形成。因此，在本专利技术中，可阻止电池初始容量下降，并使电极活性材料的容量最大化。此外，在本专利技术中，壳(b)能够包括常规SEI层的功能，因为所述壳用电解质浸溃，从而向核(a)传递锂离子，并保护所述核(a)，从而抑制核与电解质之间的副反应。尽管在本专利技术中能够在核(a)的表面上形成SEI层，但是用电解质浸溃的壳(b)保护所述SEI层或阻挡所述SEI层以免受到外部损害，从而减少SEI层上裂纹的发生。因此，在本专利技术中，可抑制电极活性材料与电解质之间的副反应，并使气体产生最小化。同时，在电池充电/放电期间，核(a)插入/放出锂离子，这可能会明显引起体积变化。因此，当使用在电池工作温度范围内缺少链柔性的聚合物或低聚物(例如，当用电解质浸溃时，玻璃化转变温度为25°C以上的聚合物或低聚物)作为壳(b)的成分而不考虑这种体积变化时，壳(b)不能承受核的体积变化，因而可能会产生裂纹。由此，可能会降低电池的循环性能和稳定性。然而，在本专利技术中，壳(b)包含当用电解质浸溃时玻璃化转变温度为25°C以下的聚合物和低聚物，因而能够在电池工作温度范围内具有足够的弹性。因此，充当核保护层的本专利技术的壳(b)，不易因电池充电/放电所引起的核体积变化而坍塌，从而能够有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有核?壳结构的电极活性材料，其包含：(a)核，其能够插入和放出锂离子；和(b)壳，其包含当用电解质浸渍时玻璃化转变温度为25℃以下的聚合物或低聚物，其中所述核的表面由所述壳包覆，且所述核选自如下物质：碳、石油焦炭、活性炭、石墨、碳纤维和金属氧化物。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金帝映，金泰沿，李栖宰，张元硕，崔丞延，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：