[发明专利]磷化物复合材料和锂离子电池的负极材料

说明书

技术领域

本发明是涉及一种磷化物复合材料，且特别是涉及一种能够应用于锂离子电池的负极材料的磷化物复合材料。

背景技术

锂离子电池陆续被应用于或是规划被应用于高功率的动力系统上，除了电池设计与电池制作技术需要进一步突破外，从电池系统来看，对于电池材料的规格需求也需要提高。电池材料中对于电极材料的需求最大，在正极材料陆续有所突破后，下一阶段需突破的技术重点即在负极材料的开发，其中对于负极材料的锂离子储存量(电容量)以及材料稳定性有待突破。目前普遍使用的商用电池负极材料为碳材，其电容量为200～350mAh/g左右〔软碳(Soft Carbon，200-240mAh/g)或介稳相球状碳石墨(MCMB graphite，300-340mAh/g)〕，早期碳材料的缺点是易与电解液聚碳酸酯发生反应，由于锂与电解液会在碳材或石墨表面形成钝化膜，因此造成不可逆电容量的损失，致使首次充放电效率低，或电池寿命短。目前为了响应高功率与高能量的电池动力需求，负极材料的电容量与稳定性需更进一步地提高。

关于负极材料的开发，除了改性的碳材外，还有(1)二元或三元成分的锂合金系统，如SnSb、SnCo，由Idota等人所研发，(2)A族元素的氧化物，如Si及Sn的氧化物，由富士底片所开发，以及(3)过渡金属的氧化物，如CoO，由Nazar及Tarascon所研发，(4)过渡金属的氮化物，由Takeda所研发。目前锂电池负极材料研究题材中，最重要的研究方向是希望能达到：1.比现有碳材具有更高的能量密度，2.较佳的材料结构稳定性，并且3.在第一次过程中，可逆电容量的使用比率提高，同时在材料制备工艺方面也希望简化，然而这些需求对应了几个研究方向的优缺点，目前为止上述研究工作并没有得到进一步突破，而这些研究的瓶颈也是阻碍新负极材料研发的难点，因此正在进行的新负极材料开发工作需要同时解决上述在材料特性与材料制备工艺上的难点。

过渡金属磷化物，例如FeP₂、CoP₃与MnP₄等，已被研究证实具有较高的电容量，以FeP₂为例，Nazar等人发现其电容量有1250mAh/g，但经过小于十次循环充放电之后，其电容量迅速衰退至无法使用，其锂离子迁出迁入的机制虽然归类于与氧化物的锂储存机制类似，但详细机制尚未完全确定，因此推断该材料衰退的主要原因是锂离子迁入后，造成体积膨胀收缩，在多次充放之后使得材料结构崩毁所致。另外，在其它的研究[Chemistry material 2006，18，3531]中也提出FeP₁等磷化物和目前锂电池电解液系统可能在材料表面产生不可逆的化学反应。因此，虽然过渡金属磷化物具有高电容量的储存能力，但现阶段仍然无法应用于锂离子电池的负极材料。

发明内容

本发明提供一种磷化物复合材料，其能够具有比碳材更高的电容量，并且具有比过渡金属磷化物更佳的结构稳定性，而能够应用于锂离子电池的负极材料而得到具有高效能的负极。

本发明提出一种磷化物复合材料，其至少包括一次粒子(primaryparticle)，其中一次粒子包括过渡金属磷化物以及包覆所述过渡金属磷化物的披覆层。

如上所述的磷化物复合材料，其中过渡金属磷化物中所使用的过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锌、锰、铬、钒、钛或钪。

如上所述的磷化物复合材料，其中披覆层的材质为可使锂离子通过披覆层的材质。

如上所述的磷化物复合材料，其中披覆层的材质包括碳。

如上所述的磷化物复合材料，其中一次粒子的粒径小于100nm。

如上所述的磷化物复合材料，其中一次粒子构成为二次粒子，且二次粒子构成磷化物复合材料的粉体。

如上所述的磷化物复合材料，其中二次粒子的粒径小于20μm。

本发明提出一种锂离子电池的负极材料，其使用磷化物复合材料作为锂离子电池的负极材料。

本发明提出另一种锂离子电池的负极材料，其使用磷化物复合材料和介稳相球状碳石墨材的混合材料作为锂离子电池的负极材料。

如上所述的锂离子电池的负极材料，其中所述磷化物复合材料和所述介稳相球状碳石墨材的混合比例为重量比1∶1。

由上述可知，本发明的磷化物复合材料将能够通过披覆层来控制一次粒子与锂离子反应时所产生的体积膨胀。尚且，本发明的一次粒子将能够通过其小于100nm的微小尺寸，进一步提高磷化物复合材料的体积膨胀控制能力。因此本发明的磷化物复合材料将能够适用于作为锂离子电池的负极材料。