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用于鋰離子電池的負極材料的制作方法

文檔序號:9218773閱讀:232來源:國知局
用于鋰離子電池的負極材料的制作方法
【專利說明】用于鋰離子電池的負極材料
【背景技術】
[0001] 二次或可充電鋰離子電池常用在許多固定和便攜設備,如消費電子、汽車和航空 航天工業(yè)中遇到的那些設備中。鋰類電池由于各種原因已得到普及,包括相對較高的能量 密度、與其它種類的可充電電池相比通常不出現任何記憶效應、相對較低的內電阻和不使 用時的低自放電率。鋰電池在它們的有效壽命內進行反復電力循環(huán)的能力使它們成為有吸 引力和可靠的電源。

【發(fā)明內容】

[0002] 負極材料的一個實例包括活性材料粒子。該活性材料粒子包括硅核和在硅核表面 上的氧化層。該負極材料進一步包括直接結合到活性材料粒子的氧化層上的聚酰亞胺粘合 劑。在該負極材料中不包括附加的粘合增強劑。
[0003] 該負極可以包括在鋰離子電池的負極中。
[0004] 本發(fā)明涉及以下[1]至[16]:
[1]. 一種負極材料,其包含: 活性材料粒子,其包括: 娃核;和 在硅核表面上的氧化層;和 直接結合到所述氧化層上的聚酰亞胺粘合劑; 其中在所述負極材料中不包括附加的粘合增強劑。
[0005] [2].如[1]中所述的負極材料,其中所述氧化層具有大約0. 1納米至大約5納米 的厚度。
[0006] [3].如[1]中所述的負極材料,其中所述聚酰亞胺粘合劑的酐基團和所述氧化 層的羥基在所述氧化層與所述聚酰亞胺粘合劑之間形成界面粘結。
[0007] [4].如[1]中所述的負極材料,其進一步包含與活性材料粒子和聚酰亞胺粘合 劑混合的導電填料。
[0008] [5].-種制造負極材料的方法,所述方法包括: 將硅粒子的表面氧化,由此形成包括硅核和在硅核上的氧化層的活性材料粒子; 在偶極非質子溶劑中將化學計量過量的二酐添加到二胺中以形成聚酰亞胺預聚物; 將所述活性材料粒子添加到所述聚酰亞胺預聚物中以形成漿料; 將所述漿料沉積在載體上;和 熱處理所述沉積的漿料,由此形成直接結合到活性材料粒子的氧化層上的聚酰亞胺粘 合劑,由此所述聚酰亞胺預聚物的酐基團與所述氧化層的羥基反應以在所述氧化層與所述 聚酰亞胺粘合劑之間直接形成界面粘結而不需要附加的粘合增強劑。
[0009] [6].如[5]中所述的方法,其中娃粒子表面的氧化包括使娃粒子在含氧環(huán)境中 暴露至少1小時。
[0010] [7].如[5]中所述的方法,其中在沉積之后和在熱處理之前,所述方法進一步包 括將沉積的漿料干燥以除去偶極非質子溶劑,其中所述干燥在大約60°C至大約150°C的溫 度下進行。
[0011] [8].如[7]中所述的方法,其中所述熱處理包括下列之一: 在真空或惰性氣體下在大約180°C至大約400°C的溫度下加熱最多大約20小時的時 間;或 在大約180°C至大約400°C的溫度下施加微波和熱處理最多大約20小時的時間。
[0012] [9].如[8]中所述的方法,其中在真空或惰性氣體下的加熱涉及隨時間以預設 間隔傾斜升溫。
[0013] [10]?如[5]中所述的方法,其中: 所述二酐選自:
所述二胺含有不多于2個醚基團;且 所述偶極非質子溶劑是路易斯堿。
[0014] [11]?如[5]中所述的方法,其中: 在所述漿料中包括導電填料; 所述載體是集流體;和 在熱處理之前,所述方法進一步包括將沉積的漿料干燥以除去偶極非質子溶劑。
[0015] [12].如[11]中所述的方法,其中所述漿料由以下組成: 大約30重量%至大約95重量%的活性材料粒子; 大約5重量%至大約50重量%的導電填料;和 大約5重量%至大約60重量%的聚酰亞胺預聚物。
[0016] [13]. -種鋰離子電池,其包含: 包括鋰過渡金屬氧化物基活性材料的正極; 負極,其包括 許多活性材料粒子,各粒子包括: 娃核;和 在硅核表面上的氧化層; 直接結合到至少一些所述許多活性材料粒子的氧化層上的聚酰亞胺粘合劑;和 混在所述許多活性材料粒子和聚酰亞胺粘合劑之間的導電碳; 其中在所述負極材料中不包括附加的粘合增強劑;和 浸泡在電解質溶液中的多微孔聚合物隔膜,所述多微孔聚合物隔膜位于正極和負極之 間。
[0017] [14].如[13]中所述的鋰離子電池,其中各活性材料粒子的氧化層具有大約0. 1 納米至大約5納米的厚度。
[0018] [15].如[13]中所述的鋰離子電池,其中所述聚酰亞胺粘合劑的酐基團和至少 一些所述許多活性材料粒子的氧化層的羥基形成界面粘結。
[0019] [16].如[13]中所述的鋰離子電池,其中: 所述負極中活性材料粒子的載量為大約30重量%至大約95重量% ; 所述負極中導電填料的載量為大約5重量%至大約50重量% ;且 所述負極中聚酰亞胺粘合劑的載量為大約5重量%至大約60重量%。
[0020] 附圖簡述 參考下列詳述和附圖可看出本公開的實例的特征和優(yōu)點,其中類似參考數字對應于類 似但可能不相同的部件。為簡要起見,可以聯系出現它們的其它附圖描述或可以不聯系出 現它們的其它附圖描述具有之前描述的功能的參考數字或要件。
[0021] 圖1是在集流體上的負極的一個實例的剖視圖; 圖2是包括本文中公開的負極的一個實例的鋰離子電池的一個實例的示意性透視圖; 且 圖3是表現本文中公開的負極的一個實例的比容量vs循環(huán)數的圖。
【具體實施方式】
[0022] 硅的高理論容量(例如4200mAh/g)使其適合用作鋰離子電池中的負極材料。但 是,已經發(fā)現,具有高比容量的負極材料(例如硅粒子)在鋰離子電池的充電/放電過程中也 具有大的體積膨脹和收縮。該負極材料在充電/放電過程中發(fā)生的大體積變化(例如大約 300%)導致該負極材料破碎、爆裂或以其它方式機械降解,這造成電接觸損失和差的壽命循 環(huán)。差的循環(huán)壽命通常包括大的容量衰減,這可能由負極材料與負極中的導電填料之間的 接觸故障(其歸因于大體積變化)造成。
[0023]負極材料包括由硅核和在硅核表面上的氧化層構成的活性材料粒子。該負極材料 進一步包括與該氧化層形成界面粘結的聚酰亞胺粘合劑。這種界面粘結確保粘合劑保持粘 附到活性材料粒子上并也確保活性材料粒子與導電填料和集流體保持接觸。因此,該界面 粘結也有助于更好的循環(huán)性能和電極完整性。
[0024] 現在參考圖1,描繪在負極側集流體20上的負極10的一個實例。要理解的是,負 極10由負極材料構成,其在此實例中包括活性材料粒子13、聚酰亞胺粘合劑16和導電填料 18。也參考圖1論述制造負極材料和負極10的方法的一個實例。
[0025] 如上文提到和如圖1中所示,活性材料粒子13包括硅粒子12作為其核(因此在本 文中也稱作硅核12)和氧化層14作為涂布硅粒子12的表面的殼。在一個實例中,硅粒子 12是娃粉(例如娃微米粉或納米粉)。但是,要理解的是,娃核12可以是娃納米管、娃納米纖 維等形式。在一個實例中,硅粒子/核12的晶粒/顆粒尺寸可以為大約1納米至大約20 微米。
[0026] 為了在硅粒子12上形成氧化層14,可以將硅粒子12的表面氧化??梢酝ㄟ^使硅 粒子12在含氧環(huán)境中暴露至少1小時實現硅粒子表面的氧化。在一個實例中,可以通過使 娃粒子12在空氣中暴露大約5小時至大約30天的時間段實現娃粒子表面的氧化。氧化將 至少存在于娃粒子12表面的娃轉化成氧化娃SiOxHy,其中x和y各自可以為0至4。氧化 形成氧化層14作為硅粒子12上的涂層。在一個實例中,硅在氧化過程中與空氣中的水反 應形成Si-〇H。
[0027] 要理解的是,所形成的氧化層14的厚度(從硅粒子12的表面到硅粒子12的中心 測得)至少部分取決于硅粒子12在空氣中暴露的時間、空氣的溫度和空氣中的濕度。該厚 度可以均勻或可變。一般而言,該厚度隨暴露時間和/或溫度和/或濕度提高而提高。該 溫度可以為室
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