[发明专利]具有核‑壳结构的材料

说明书

本申请是申请日为2009年4月16日、发明名称为“具有核-壳结构的材料”的中国专利申请200910134292.7的分案申请。

政府权利

本发明是在由美国能源部签署的No.DE-AC52-06NA25396合同利用美国政府的支持而完成的。在本发明中，美国政府具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及一种材料，特别是具有核-壳结构的材料。

背景技术

对电池的能量要求持续增长，而在体积和质量方面的限制却持续存在。此外，对安全、低成本和环境友好材料的需求也在增长。使用常规锂离子电池化学物质不能满足这些需求和电池的技术要求。尽管锂离子电池已经得到优化且显示了稳定的能量，这些系统受到了锂的量的限制，所述锂可以可逆地嵌入电池的活性材料结构中和从其中移出。

对于更高性能、安全、低成本和环境友好材料的需求只能通过开发新的电池材料来实现。研究人员已提出了用锡取代碳基阳极。在电池的充电期间，锡与锂合金化。锂锡合金形成了每1个锡原子4.4个锂原子的最大浓度，该浓度相当于993mAh/g的容量。常规碳基阳极具有372mAh/g的理论容量。因此，用锡基阳极电池取代常规碳基阳极电池能够产生更高的能量容量。

研究显示，使用锡基阳极存在两个主要问题。第一为差的循环寿命，而第二为差的锡利用率。差的循环寿命定义为作为充电－放电循环次数的函数的不良的电池能量保持率。研究人员已采用两种方法解决这些问题。首先，通过形成锡和至少一种其它金属的金属间化合物，其次，通过向阳极复合物添加非电化学活性材料。然而，现有的研究不能解决锂锡电池的不良性能的基本原因，所述原因为：1)充电时锂与锡的合金化所产生的锡锂颗粒的大的体积膨胀；及2)在上述体积膨胀期间锡团聚物的破碎。体积膨胀在后续循环期间导致了锡颗粒从基质中分离，而锡团聚物的破碎导致具有暴露的新表面区域的细颗粒。该新表面区域与基质不接触，因此如锡颗粒从基质中分离一样，导致了电池容量的降低。因此，需要具有足够循环寿命和适当的锡利用率的锂锡电池。

发明内容

所公开的是具有复合颗粒的材料。该复合颗粒包括含有例如碳、氮、氧或硫元素的外壳和由锂合金化材料如锡、硅、铝和/或锗制成的内核。如果外壳由碳制成，则复合颗粒的外壳具有小于20nm的平均厚度，且复合颗粒具有小于100nm的外部平均直径。在一些情形中，内核由锡、锡二元合金、锡三元合金或锡四元合金制成。

附图说明

图1是依据本发明实施方案的材料的截面示意图；

图2是用于本发明实施方案的制备方法的流程图；

图3是具有锡核的碳外壳的透射电子显微图像。

具体实施方式

本发明包括由复合颗粒制成的材料，所述复合颗粒具有外壳和内核。该内核由锂合金化材料制成，而外壳是电子导体、离子导体和/或混合导体。在电池工作期间，壳可以与锂可逆地反应或者可以不与锂可逆地反应，以提供额外的能量。应理解，如果壳与锂可逆地反应，则其能够通过抑制锂在阳极表面的镀覆而在过充电方面提供安全缓冲。因此，该材料可用于电化学装置。

在一些情形中，在使用该材料期间，核是实心的。例如，内核可以由锂合金化材料制成，示例性地包括锡、二元锡合金、三元锡合金等。应理解，可组合多个复合颗粒以制备电极，该电极是电化学装置的一部分。

还公开了制备复合颗粒的方法。该方法包括提供具有外壳和内核成分(component)的前体粉末。在气体中悬浮该前体材料粉末以形成气溶胶，然后使气溶胶通过等离子炬的热区。使前体粉末通过等离子炬会产生核-壳复合颗粒，其中核通常占据外壳内部容积的100％。

现在转向图1,以标记10总体表示由依据本发明实施方案的复合颗粒制成的材料。材料10包括复合颗粒100,该颗粒100具有外壳110和内核120。应理解，内核120可以包括2个独立容积，芯核材料的第一容积和孔隙空间的第二容积。在替代方案中，内核120可以仅包括芯核材料的一个容积。

内核120可以由锂合金化材料制成，示例性地包括锡、硅、铝、锗、及其组合和合金。外壳110还可以由各种材料制成。例如，如氧化物、碳酸盐、卤化物、碳化物、石墨、石墨烯(graphene)、蒽和无定形碳的材料可用于形成复合颗粒的外壳，只要所获的外壳是电子导体、离子导体和/或混合导体即可。