复合负极活性材料、各自包括其的负极和锂电池、其制法制造技术

本发明专利技术提供复合负极活性材料、包括所述复合负极活性材料的负极、包括所述负极的锂电池和制备所述复合负极活性材料的方法。所述复合负极活性材料包括：包括中空碳纤维的壳；和设置在所述中空碳纤维的空洞中的核，其中所述核包括第一金属纳米结构体和导电剂。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求2012年9月24日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2012-0105948的权益，其专利技术构思通过参考引入本文中。
本专利技术构思涉及复合负极活性材料、包括所述复合负极活性材料的负极、包括所述负极的锂电池和制备所述复合负极活性材料的方法。
技术介绍
碳质材料例如石墨是用于锂电池的负极活性材料的代表性实例。石墨具有良好的容量保持特性和高电势特性，并因为在锂的嵌入或脱嵌期间没有体积变化而确保电池的高稳定性。石墨具有约372mAh/g的理论电容量和高的不可逆容量。另外，可与锂形成合金的金属或半金属可用作用于锂电池的负极活性材料。可与锂形成合金的金属或半金属的实例为硅(Si)、锡(Sn)、铝(Al)等。这些可与锂形成合金的金属具有非常高的电容量。例如，这些金属可具有为石墨的电容量的10倍高的电容量。这样的金属在充电/放电期间经历体积膨胀或收缩，由此导致在电极内的活性材料电绝缘。另外，由于活性材料的比表面积的增加，电解质的分解反应变得严重。因此，存在对于这样的复合负极活性材料的需求，所述复合负极活性材料具有如能与锂合金化的金属那样高的电容量并且能够吸收来自金属的体积膨胀的应力以防止所述复合负极活性材料的恶化。
技术实现思路
提供具有改善的容量和改善的寿命特性的复合负极活性材料。提供包括所述复合负极活性材料的负极。提供采用所述负极的锂电池。提供制备所述复合负极活性材料的方法。额外的方面将部分地在随后的描述中阐明，和部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的实施方式的实践获悉。根据本专利技术构思的一个方面，复合负极活性材料包括:包括中空碳纤维的壳；和设置在所述中空碳纤维的空洞中的核，其中所述核包括第一金属纳米结构体和导电剂。根据本专利技术构思的另一方面，负极包括以上限定的复合负极活性材料。根据本专利技术构思的另一方面，锂电池包括以上限定的负极。根据本专利技术构思的另一方面，制备复合负极活性材料的方法包括:制备包括造孔齐U、第一金属纳米结构体和导电剂的第一溶液；制备包括第二聚合物的第二溶液；将所述第一溶液和所述第二溶液同时电纺丝以制备具有核/壳结构的聚合物纤维，其在所述核中包括所述造孔剂并在所述壳中包括所述第二聚合物；使所述聚合物纤维稳定化；和煅烧经稳定化的聚合物纤维以获得所述复合负极活性材料。【附图说明】结合附图，从下面实施方式的描述中，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，其中:图1为根据本专利技术构思的实施方式的复合负极活性材料的横截面图；图2A为实施例1中具有核/壳结构的聚合物纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像；图2B为图2A的放大图；图3为实施例1中具有核/壳结构的聚合物纤维的透射电子显微镜(TEM)图像；图4为实施例1中具有核/壳结构的聚合物纤维的暗场TEM图像；图5A为实施例1中具有核/壳结构的聚合物纤维的能量色散光谱法(EDX)谱图；图5B为实施例1中具有核/壳结构的聚合物纤维的X-射线衍射(XRD)谱；图6A为实施例1的复合负极活性材料的TEM图像；图6B为图6A的放大图；图6C为实施例1的复合负极活性材料的横截面的TEM图像；图7为说明实施例5的锂电池的寿命特性的图；和图8为根据本专利技术构思的实施方式的锂电池的示意图。【具体实施方式】现在将对复合负极活性材料、包括所述复合负极活性材料的负极、使用所述负极的锂电池和制备所述复合负极活性材料的方法的实施方式进行详细介绍，其实例说明于附图中，其中相同的附图标记始终是指相同的要素。在这点上，本实施方式可具有不同的形式并且不应被解释为限于本文中所阐明的描述。因此，下面仅通过参照附图描述所述实施方式以解释本描述的方面。如本文中所使用的术语“和/或”包括相关所列项目的一个或多个的任何和全部组合。表述例如“…的至少一个(种)”当在要素列表之前或之后时，修饰整个要素列表，且不修饰该列表的单独要素。根据一个实施方式，复合负极活性材料包括:包括中空碳纤维的壳；和设置在所述中空碳纤维的空洞中的核，所述核包括第一金属纳米结构体和导电剂。所述第一金属纳米结构体中的第一金属为能与锂合金化的金属。参照图1，根据实施方式的复合负极活性材料10包括中空碳纤维的壳11和设置在壳11的空洞中的核15,核15包括第一金属纳米结构体12和导电剂13。由于包括能与锂合金化的第一金属纳米结构体，复合负极活性材料可具有改善的放电容量。复合负极活性材料的导电剂在邻近的第一金属纳米结构体之间、以及所述中空碳纤维和所述第一金属纳米结构体之间电连接，并由此可改善所述复合负极活性材料的导电性、充电/放电效率和高倍率特性。所述中空碳纤维的壳可容纳在充电和放电期间所述第一金属纳米结构体的急剧的体积变化以防止所述第一金属纳米结构体的恶化，并且作为结果，改善寿命特性。所述导电剂可防止所述第一金属纳米结构体的附聚以不恶化。所述复合负极活性材料的所述核可包括孔。所述核可为多孔的。例如，所述复合负极活性材料的所述核可包括在所述第一金属纳米结构体和所述导电剂之间的至少一个孔。由于包括孔，所述核可有效地容纳在充电和放电期间所述第一金属纳米结构体的体积变化。参照图1，核15还包括孔14。所述核可具有约1%?约80%的孔隙率。即，所述中空碳纤维的壳的内部区域，即中空区域，对应于所述核。所述核可具有所述核的总体积的约1%?约70%的孔体积，所述孔体积将所述核中的所述第一金属纳米结构体和所述导电剂的体积排除在外。例如，所述核可具有约10%?约60%的孔隙率，但不限于此。所述核的孔隙率可适宜地控制在所述范围内以进一步改善锂电池的放电容量、高倍率特性和寿命特性。所述复合负极活性材料的短轴横截面中的孔面积可为所述短轴横截面的总面积的约10%?约90%。所述短轴横截面垂直于纤维状复合负极活性材料的长度方向。例如，所述复合负极活性材料可具有约30%?约60%的孔面积。所述复合负极活性材料的所述孔面积可基于其短轴横截面的扫描电子显微镜图像计算。所述复合负极活性材料的所述中空碳纤维可具有约500nm或更大、和在一些实施方式中约500nm?约5 μ m、和在一些另外的实施方式中约500nm?约3 μ m、和在还另外的实施方式中约500nm?约1.5 μ m的外径，但不限于此。所述中空碳纤维的外径可适宜地控制在所述范围内以提供锂电池的改善的放电容量、改善的高倍率特性和改善的寿命特性。所述复合负极活性材料的所述中空碳纤维可具有约50nm?约500nm、和在一些另外的实施方式中约50nm?约300nm的壁厚，但不限于此。换句话说，所述复合负极活性材料的所述中空碳纤维可具有约50nm?约500nm的壳厚度。所述中空碳纤维的壁厚可适宜地控制在所述范围内以进一步改善锂电池的放电容量、高倍率特性和寿命特性。所述复合负极活性材料的所述第一金属可包括选自元素周期表的第13、14和15族的元素的至少一种元素。所述“第一金属”是指能与锂合金化并且在元素周期表中可分类为金属和/或半金属的元素，其中将碳和不能与锂形成合金的金属排除在外。在一些实施方式中，所述第一金属可包括选自镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、及其组合的元素。例如，所述复合负极活性材料中的所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合负极活性材料，包括：包括中空碳纤维的壳；和设置在所述中空碳纤维的空洞中的核，其中所述核包括第一金属纳米结构体和导电剂，和所述第一金属是指能与锂合金化并且在元素周期表中分类为金属和/或半金属的元素。

【技术特征摘要】
2012.09.24 KR 10-2012-01059481.复合负极活性材料，包括: 包括中空碳纤维的壳；和 设置在所述中空碳纤维的空洞中的核， 其中所述核包括第一金属纳米结构体和导电剂，和所述第一金属是指能与锂合金化并且在元素周期表中分类为金属和/或半金属的元素。2.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述核包括孔。3.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述复合负极活性材料在短轴横截面中具有10%~90%的孔面积。4.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述中空碳纤维具有500nm或更大的外径。5.权利要求1的复合负极活性材料,其中所述中空碳纤维具有500nm~5μ m的外径。6.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述中空碳纤维具有50nm~500nm的壁厚。7.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述第一金属包括选自硅(Si)、锗(Ge)和锡(Sn)的至少一种元素。8.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述纳米结构体包括选自纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米管、纳米带、纳米孔、纳米囊和纳米管的至少一种。9.权利要求8的复合负极活性材料，其中所述纳米颗粒具有IOnm~IOOnm的直径。10.权利要求1的复合负极活性材料，其中所述导电剂包括选自碳纳米结构体和第二金属纳米结构体的至少一种。11.权利要求10的复合负极活性材料，其中所述碳纳米结构体包括选自碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、富勒烯、活性炭颗粒、碳纳米板、碳纳米洋葱和碳纳米孔的至少一种。12.权利要求10的复合负极活性材料，其中所述第二金属包括选自银(Ag)、金(Au...

【专利技术属性】
技术研发人员：金尚元，朴钟辰，朴晋焕，河炯旭，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR