[发明专利]具有合成固体电解质界面的电极材料

说明书

技术领域

本申请主要涉及材料及其制备方法，特别是涉及电化学装置(如锂电池)电极组件中使用的硅基材料。

背景技术

锂离子电池操作中，电池充电时阳极(anode)捕获来自于阴极(cathode)的锂离子，放电时阳极向阴极释放锂离子。阳极材料的一个重要参数是其保持锂离子的能力，因为这将直接影响给定电池所能持有的电荷量。另一个重要的参数是可逆性(reversibility)，可逆性指的是材料能够无退化地或无明显容量损失地捕获及释放锂离子的次数。该参数会直接影响电池的使用寿命。

锂离子电池系统一般采用碳质阳极，因为所述碳质阳极可逆性很高并且相当安全。碳材料的一个问题是锂离子的容量只能算适中，因此在给定电池系统中必需使用较大量的阳极材料。硅能够与较大量的锂形成合金，且硅作为锂离子电池的阳极材料有许多优点。典型的碳基阳极的放电容量约为372mAh/g，而硅的理论容量为4200mAh/g。但是，当锂结合到硅中时，硅的体积变化相当大，这种体积的变化对于大部分电池系统来说是不利的，因为这种体积变化能导致容量损失，降低循环寿命，对电池结构造成机械破坏。在饱和嵌锂(锂化)(fulllithiuminsertion)时，硅体积膨胀度达到400％；而在脱锂(去锂化)时，硅(体积)有明显的收缩，这种体积的巨大变化产生了两个严峻的挑战：(1)如何最小化电极中硅结构的机械退化；(2)如何保持固体电解质界面(SolidElectrolyteInterface，SEI)的稳定性。硅阳极因体积的大变化产生的应力会导致开裂和粉碎。研究显示，这是导致电量迅速损失的主要原因。

一种减小或避免材料开裂和爆裂趋势的方法是，减小硅材料的粒度至纳米级别。确实，这种纳米型硅结构因尺寸小，周围有自由空间可用，应力容易得到缓冲而不产生机械断裂。在解决硅材料稳定性问题上已经取得了一些成功，如通过将纳米结构的硅材料设计成纳米线、纳米管、纳米多孔薄膜和硅纳米颗粒/碳复合材料。上述部分成果已经被美国专利申请公开案2007/0077490、2007/0190413和2005/0282070，美国专利7,316,792和公开的PCT申请WO2007/015910披露。

但是，对于实现电池长使用寿命的另一个重要的因素是位于硅和液体电解质之间界面的SEI的稳定性。即使硅的机械断裂和粉碎问题通过应用纳米结构大体上得到克服，但是由于硅反复的膨胀和收缩，导致电解质的界面不是静止的。该问题还没有行之有效的解决办法，仍是一个巨大的挑战。

在电池充电过程中，在低电势阳极上，电解质出现分解并在硅表面形成钝化的SEI层。该SEI层是电子的绝缘体，却是锂离子的导体。因此，在充放电循环过程中，在硅体积的变化下，SEI层在新形成的硅表面上的增长没有减少。纳米级别的硅虽然能使机械破坏产生的应力最小化，但是不能够解决SEI的生长问题。硅在锂化反应中膨胀，在脱锂过程中收缩。这种反复的变化会使硅表面开裂。即使使用纳米结构的硅，在先形成的SEI也会因为在脱锂过程中因为收缩而被破坏。在每一次充/放电循环中，硅表面反复暴露在电解液中，生成额外的SEI致使SEI变厚。

SEI的变厚能够导致电池性能退化，主要表现为：(1)SEI的持续生成过程中会消耗电解质和锂离子；(2)SEI的电绝缘性会弱化集流器和阳极材料之间的电接触；(3)厚厚的SEI增加了锂离子的扩散距离；(4)增厚的SEI产生的机械应力会致使电极材料退化。形成稳定的SEI对实现硅基阳极长使用寿命来说是非常重要的，对于遭受大体积变化的其他电极材料也是这样。

尽管做出了各种努力，研究人员还是无法成功地将硅基材料用于制备高容量的阳极结构中，让锂离子电池显示出高循环寿命。下面详细阐述了本申请提供的一种抗粉碎的电极材料，该材料能够与大量的锂离子合金化，并且在多次充/放电循环中保持自身性能。本申请电极材料能够用于制造大容量锂电池，使得该电池具有优越的循环寿命。本申请电极材料的这些优点和其他的优越性见本申请接下来的附图、描述和讨论部分。

发明内容

本申请概述用于帮助理解本申请独特的创新特性，而不是对本申请的完整描述。总的来说，从本申请整个的说明书、权利要求、附图和摘要对本申请的多个方面有一个透彻的理解。