[发明专利]用于锂电池的高容量阳极活性材料的弹性体包封的颗粒

说明书

提供了一种用于锂电池的阳极活性材料层。所述层包含阳极活性材料的多种微粒，其中至少一种微粒由高容量阳极活性材料的一个或多个颗粒构成，所述颗粒被弹性体材料薄层包封，所述弹性体材料具有在室温下不小于10^‑7S/cm(优选不小于10^‑5S/cm)的锂离子电导率和从1nm至10μm的包封壳厚度，并且其中所述高容量阳极活性材料(例如Si、Ge、Sn、SnO₂、Co₃O₄等)具有大于372mAh/g(石墨的理论锂储存极限)的锂储存比容量。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016/3/30提交的美国专利申请号14/999080的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及可再充电锂电池领域，并且更具体地涉及呈弹性体包封的颗粒形式的阳极活性材料及其生产方法。

背景技术

锂离子电池的单元电池或结构单元典型地由阳极集流体、阳极或负电极层(含有负责在其中储存锂的阳极活性材料、导电添加剂和树脂粘合剂)、电解质和多孔隔膜、阴极或正电极层(含有负责在其中储存锂的阴极活性材料、导电添加剂和树脂粘合剂)和单独的阴极集流体构成。电解质与阳极活性材料和阴极活性材料都处于离子接触。如果电解质是固态电解质，则不需要多孔隔膜。

粘合剂层中的粘合剂用于将阳极活性材料(例如石墨或Si颗粒)和导电填充剂(例如炭黑或碳纳米管)粘合在一起以形成具有结构完整性的阳极层，并且将阳极层粘合到单独的阳极集流体上，该阳极集流体起到在电池放电时从阳极活性材料收集电子的作用。换言之，在电池的负电极(阳极)侧，典型地包括四种不同的材料：阳极活性材料、导电添加剂、树脂粘合剂(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)或苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR))和阳极集流体(典型地是Cu箔片)。典型地，前三种材料形成单独的离散的阳极层，并且后一种形成另一个离散的层。

用于锂离子电池的最常用的阳极活性材料是天然石墨和可以用锂插层的合成石墨(或人造石墨)，并且所得的石墨插层化合物(GIC)可以表示为Li_xC₆，其中x典型地是小于1。可以可逆地插层到完美石墨晶体的石墨烯平面之间的间隙中的锂的最大量对应于x＝1，限定了372mAh/g的理论比容量。

石墨或碳阳极由于存在保护性固体电解质界面层(SEI)可以具有长循环寿命，该界面层在前几次充-放电循环期间由锂与电解质之间(或锂与阳极表面/边缘原子或官能团之间)的反应产生。此反应中的锂来自最初旨在用于电荷转移目的的一些锂离子。随着形成SEI，这些锂离子变成惰性SEI层的一部分，并且变得不可逆，即在充电/放电期间这些正离子不再能够在阳极与阴极之间来回穿梭。因此，希望使用最少量的锂来形成有效的SEI层。除了SEI形成之外，不可逆容量损失Q_ir还可以归因于由电解质/溶剂共插层和其他副反应引起的石墨膨化。