[发明专利]负极活性物质、制法、锂二次电池用负极和锂二次电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年2月1日在美国专利和商标局提交的美国临时申请No.61/593,769的优先权和权益，将其全部内容引入本文作为参考。

技术领域

本公开内容涉及负极活性物质、其制备方法、包括所述负极活性物质的锂二次电池用负极、和包括所述负极的锂二次电池。

背景技术

用于便携式电子设备(例如个人数字助理(PDA)、移动电话、笔记本电脑)、电动自行车、电动车等的锂二次电池具有为常规电池的放电电压的至少两倍高的放电电压。因此，锂二次电池呈现高的能量密度。

典型的锂二次电池包括电极组件，所述电极组件包括正极、负极、以及填充正极和负极之间的空间的有机电解质溶液或聚合物电解质。正极和负极各自包括容许嵌入和脱嵌锂离子的活性物质。在该结构中，当锂离子在正极和负极之间嵌入和脱嵌时，发生氧化和还原反应，并且由此产生电能。

锂二次电池的正极活性物质可为容许嵌入锂离子的锂和过渡金属的氧化物，例如锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂镍氧化物(LiNiO₂)、或者锂镍钴锰氧化物(例如，Li[NiCoMn]O₂或Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂)。

已经进行了对容许嵌入和脱嵌锂离子的负极活性物质例如各种类型的碳质材料(包括人造和天然石墨以及硬碳)和非碳质材料例如Si的研究。然而，非碳质材料例如Si在锂离子的嵌入和脱嵌期间反复地经历体积膨胀和收缩，并且因此，包括这样的非碳质材料的负极具有不稳定的结构和降低的循环寿命。为了解决关于碳质和非碳质活性物质的问题，已经进行了对基于Si的合金的研究。

基于Si的合金可为，例如，Si-Ti-Ni合金。Si-Ti-Ni合金包括在该合金中的其中Si对Ti对Ni的原子百分数(原子%)比为7:4:4的Si₇Ti₄Ni₄基体相(matrix phase)。然而，该基体相含有相对大量的Si，并且因此该合金中的大量Si被消耗在不与锂反应的非活性相中。此外，Si-Ti-Ni合金的原料成本高。

发明内容

本发明实施方式的各方面涉及具有改善的初始放电容量和循环特性的负极活性物质。

本发明的一个或多个实施方式包括制备所述负极活性物质的方法。

本发明的一个或多个实施方式包括包含所述负极活性物质的锂二次电池用负极。

本发明的一个或多个实施方式包括包含所述负极的锂二次电池。

在本发明的一个实施方式中，用于可再充电锂电池的负极活性物质包括由式1表示的Si-Al-Fe合金，其中所述Si-Al-Fe合金包括Si相和合金相，并且所述合金相包括原子百分数比为约3:3:2的Si、Al和Fe：

式1

xSi-yAl-zFe

其中50原子%≤x≤90原子%，5原子%≤y≤30原子%，5原子%≤z≤30原子%，且x+y+z=100原子%。

当使用的CuK-α X射线波长测量时，所述合金相可在约20°-约60°的布拉格角2θ处显示出(register)X射线衍射峰。

当使用的CuK-α X射线波长测量时，所述合金相可在在约44.7±1.0°的布拉格角2θ处显示出主(primary)X射线衍射峰。当使用的CuK-α X射线波长测量时，所述合金相可在约24.6±1.0°的布拉格角2θ处显示出第一次级(secondary)X射线衍射峰，和/或当使用的CuK-αX射线波长测量时，所述合金相可在约47.0±1.0°的布拉格角2θ处显示出第二次级X射线衍射峰。

在式1中，y可大于z。

所述Si-Al-Fe合金可进一步包括第二合金相，并且所述第二合金相可包括原子百分数比为约1或更大的Al和Fe。

所述Si-Al-Fe合金的至少一部分可包括所述Si相和所述合金相的均匀分散体。

所述Si-Al-Fe合金中所述Si相的Si原子%对所述合金相的Si原子%的比可为约0.5:1-约12:1。

所述合金相可为基体相。所述Si相可包括Si活性金属颗粒。

所述Si活性金属颗粒可具有约10nm-约200nm的平均粒度。