[发明专利]包含金属纳米晶体复合物的负极活性物质及其制法以及包含该负极活性物质的阳极和锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种负极活性物质及其制备方法，以及包含该负极活性物质的阳极和锂电池，更具体地，本发明涉及一种具有大充电/放电容量和优异容量保持能力的负极活性物质及其制备方法，以及包含该负极活性物质的阳极和锂电池。

背景技术

包括锂化合物充当阳极的非水电解液二次电池具有高电压和高能量密度。由于这些优点，对非水电解液二次电池正在进行大量的研究。具体地，当金属锂由于锂的高电池容量而用作阳极时，金属锂已经吸引了许多注意力。然而，当金属锂用作阳极时，在充电过程中于锂的表面上能形成许多锂枝晶，使得充电/放电效率会降低，阳极可能与阴极发生短路，并且由于其不稳定性，即，它的高反应性和爆炸性，金属锂对于热和撞击敏感。由于这些缺点，包括由金属锂形成的阳极的电池不能商业化。这类由使用金属锂产生的问题可以通过利用碳质阳极来克服。碳质阳极不包含金属锂，并利用存在于电解液中的锂离子进行氧化和还原反应，锂离子在充电/放电循环过程中在碳质电极的晶体表面之间嵌入或脱嵌，其为摇椅型。

通过利用碳质阳极，可以克服许多由使用金属锂而产生的问题，因而锂电池能够商业化。然而，随着需要更小、质量更轻和性能更高的便携式装置，二次锂电池的高容量成为问题。通常，包括碳质阳极的锂电池因碳的多孔结构自然具有低电池容量。例如，即使是在各种碳质材料中具有最高结晶度的石墨，当它的组成为LiC₆时，也仅具有约372mAh/g的理论容量，而金属锂却具有3860mAh/g的理论容量。即，石墨具有与金属锂的10％一样小的理论容量。因此，虽然使用金属阳极导致很多问题，但是对为了改善电池容量而用于阳极中的金属锂的研究又在积极地进行中。

众所周知，锂、锂-铝、锂-铅、锂-锡和锂-硅能够提供比碳质材料更大的电容量。然而，当这些合金或金属单独使用时，锂枝晶会沉淀出来。因此，对于金属锂的研究正在沿着这些合金或金属适当地与碳质材料混合以改善电容量同时防止短路的方向进行。

然而，这些合金或金属与碳质材料的这种混合导致其它的问题。例如，在氧化和还原反应过程中，碳质材料与这些金属材料显示出不同的膨胀率，并且金属材料与电解液反应。当电池充电时，锂离子进入阳极，因而阳极膨胀，使得能够获得更紧凑的结构。接着，当电池放电时，锂离子以离子态的形式离开阳极，因而阳极收缩。因为碳质材料与金属材料具有不同的膨胀率，所以碳质材料和金属材料的这种收缩导致真正空间的形成，甚至形成宽的裂纹，使得能够产生电断路的部分，因而电子不能平稳地迁移，从而降低电池的效率。另外，当充电和放电时，金属材料能够与电解液反应，使得电解液的寿命降低，因此包含金属材料的电池具有短寿命和低效率。

因此，需要研制出一种负极活性物质，其通过解决由使用常规阳极材料而产生的这些问题，而具有比石墨更高的充电/放电容量和优异的容量保持能力。

发明内容

本发明提供一种负极活性物质，其具有高的充电/放电容量和改善的容量保持能力。

本发明还提供包含该负极活性物质的阳极。

本发明还提供包含所述负极活性物质的锂电池。

本发明还提供制备所述负极活性物质的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种负极活性物质，其包括第一金属纳米晶体复合物颗粒，该第一金属纳米晶体复合物颗粒包括：具有20nm或更低的颗粒直径的金属纳米晶体；及形成于该金属纳米晶体上的碳涂层。

所述负极活性物质还可以包括第二金属纳米晶体复合物颗粒，该第二金属纳米晶体复合物颗粒包括多个通过所述碳涂层连接在一起的第一金属纳米晶体复合物颗粒。

金属纳米晶体的颗粒直径可以为10nm或更低。

所述多个第一金属纳米晶体的颗粒直径的标准偏差可以为该金属纳米晶体的平均直径的±20％或更低。

第二金属纳米晶体复合物颗粒的颗粒直径可低于1μm。

覆盖金属纳米晶体的碳涂层可以具有均匀的厚度。

金属纳米晶体可以具有核/壳结构。

在所述负极活性物质中，碳涂层可以包含低于0.1％重量的氢。

在所述负极活性物质中，金属纳米晶体可以包括至少一种选自2族金属，3族金属，4族金属，及其合金中的金属。

在所述负极活性物质中，金属纳米晶体可以包括至少一种选自Si，Sn，Ge，及其合金中的金属。

在所述负极活性物质中，金属纳米晶体包括不与锂反应的金属。

该不与锂反应的金属可以包括至少一种选自Co，Fe，Ni，Cu，及Ti中的金属。

根据本发明的另一个方面，提供包含所述负极活性物质的阳极。