[发明专利]硅阳极材料

说明书

提供了一种用于循环锂的电化学电池的硅阳极材料及与其相关的形成方法。硅阳极材料包括多个碳封装硅簇，其中每个碳封装硅簇包含封装在内部体积大于硅纳米颗粒体积的碳壳中的一定体积的硅纳米颗粒。制造硅阳极材料的方法包含形成多个前体簇，其中每个前体硅基簇包括一定体积的SiO_x纳米颗粒(x≤2)。该方法进一步包含碳涂覆每个前体簇，以形成多个碳涂覆的SiO_x簇；以及还原各碳涂覆SiO_x簇中的SiO_x纳米颗粒，形成硅阳极材料。

引言

本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

本公开涉及用于循环锂的电化学电池的硅阳极材料及其相关的形成方法。硅阳极材料包括多个碳封装硅簇，每个碳封装硅簇包含封装在内部体积大于硅纳米颗粒体积的碳壳中的一定体积的硅纳米颗粒。

作为背景技术，高能量密度的电化学电池，例如锂离子电池可以用于多种消费品和车辆，例如混合动力车(HEV)和电动车(EV)。典型的锂离子和锂硫电池包含第一电极、第二电极、电解质材料和隔膜。一个电极用作正极或阴极(放电时)，另一个用作负极或阳极(放电时)。堆叠的电池单元可以电连接以增加总输出。传统的可再充电锂离子电池通过在负极和正极之间可逆地来回传递锂离子来工作。隔膜和电解质设置在负极和正极之间。电解质适合于传导锂离子并且可以是固体(例如，固态扩散)或液体形式。在电池充电期间，锂离子从阴极(正极)移动到阳极(负极)，并且在电池放电时沿相反方向移动。

阳极和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间产生电势。当电极之间的外部电路中产生电子流时，通过电池单元内的电化学反应维持电势。叠层内的每个负极和正极连接到集电器(通常是金属，例如用于阳极的铜和用于阴极的铝)。在电池使用期间，与两个电极相关联的集电器通过外部电路连接，该外部电路允许由电子产生的电流在电极之间通过以补偿锂离子的传输。

可以使用许多不同的材料来产生用于锂离子电池的部件。例如，用于锂电池的阴极材料通常包括可以嵌入锂离子的电活性材料，例如锂-过渡金属氧化物或尖晶石型的混合氧化物，例如包含尖晶石LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn_1.5Ni_0.5O₄、LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂(其中0x1，y1，并且M可以是Al、Mn等)或磷酸铁锂。电解质通常含有一种或多种锂盐，其可以在非水溶剂中溶解和离子化。负极通常包含锂嵌入材料或合金主体材料。例如，用于形成阳极的典型电活性材料包含锂-石墨插层化合物、锂-硅插层化合物、锂-锡插层化合物和锂合金。

某些阳极材料具有特定的优点。虽然石墨化合物是最常见的，但具有高比容量(与常规石墨相比)的阳极材料越来越受到关注。例如，硅对于锂具有最高的已知理论充电容量，使其成为用于可再充电锂离子电池最有前景的材料之一。然而，包括硅的阳极材料可能具有显著的缺点。例如，含硅材料在锂插入/取出(例如嵌入和脱出)期间的大体积变化(例如体积膨胀/收缩)可导致阳极物理损坏，包含起皱、断裂或破裂。因此，这种体积膨胀会导致电接触和电极活性损失。在含硅电极的商业可行性所需的负荷密度水平下尤其如此。此外，固体电解质界面(SEI)层的形成可以在活性材料表面上形成并且引起连续的电解质消耗和锂离子损失，这会导致锂离子电池中不可逆的容量衰减。因此，在包括硅的阳极的嵌入/合金化期间的大体积膨胀可导致电化学循环性能下降、库仑电荷容量减小(容量衰减)、以及循环寿命极度受限且较差。

因此，期望开发在高能锂离子电池中使用的材料，其克服了阻碍包括硅电极材料的广泛商业使用(特别是在车辆应用中)的当前缺点。对于长期和有效的使用，含硅阳极材料应该能够在锂离子电池中长期使用时使容量衰减最小化并使充电容量最大化。

发明内容

本节提供了本公开的总体概述，并不是对其全部范围或其所有特征的全面公开。