碳‑硅复合材料和包含该碳‑硅复合材料的用于二次电池的阳极活性材料制造技术

本发明专利技术涉及碳‑硅复合材料和包含该碳‑硅复合材料的用于二次电池的阳极活性材料，和更特别地，涉及一种碳‑硅复合材料，其中硅(Si)‑嵌段共聚物核‑壳颗粒均匀地分散和包埋在碳质物质中。

Carbon silicon composite material containing the carbon and silicon composite anode active material for secondary battery two

The present invention relates to carbon silicon composite material containing the carbon and silicon composite for anode active material two battery, and more particularly relates to a carbon silicon composite material, in which silicon (Si) block copolymer nuclear shell particles are uniformly dispersed and embedded in a carbonaceous matter in.

【技术实现步骤摘要】
碳-硅复合材料和包含该碳-硅复合材料的用于二次电池的阳极活性材料
本专利技术涉及碳-硅复合材料和包含该碳-硅复合材料的用于二次电池的阳极活性材料，更特别地，涉及一种碳-硅复合材料，其中硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒均匀地分散和包埋在碳质物质中。
技术介绍
锂二次电池由于与其它二次电池相比高的能量密度、高的电压和高的容量特征而被广泛用作各种装置的电源。特别地，为了用于信息技术(IT)设备的电池或用于汽车的电池，要求具有能够实现高容量的锂二次电池的阳极活性材料。一般来说，碳基材料如石墨等主要用作用于锂二次电池的阳极活性材料。由于石墨的理论容量为大约372mAh/g，和考虑到容量损失等，其实际放电容量仅仅为大约310-330mAh/g，对于具有更高能量密度的锂二次电池的需求已经增加。根据所述需求，作为具有高容量的锂二次电池的阳极活性材料，已经进行了对于金属、合金等的研究，和特别地，对于硅的研究已经受到了注意。例如，已知纯硅具有4,200mAh/g的高的理论容量。然而，与碳基材料相比，硅材料具有降低的循环特征，这对于实际应用依然是个障碍。原因在于当无机颗粒如硅作为阳极活性材料直接用作用于吸收和释放锂的材料时，活性材料之间的电导率劣化或者由于在充电和放电过程中硅的体积变化，所述阳极活性材料与阳极集电器分离。特别地，阳极活性材料中包括的无机颗粒如硅通过充电过程吸收锂膨胀至大约300％-400％体积，和当锂通过放电释放时，所述无机颗粒再次收缩。如果重复充电和放电循环，由于无机颗粒与阳极活性材料之间生成的空的空间，可能发生电绝缘，这可能造成寿命迅速恶化，和因此，硅在用于二次电池中时具有严重的问题。另外，如果硅不是以其中它不充分分散在阳极活性材料中的状态存在，或者如果硅仅仅存在于阳极活性材料的表面上，则上述体积变化的问题可能变得更加严重。为了解决此问题，最重要的事情是将硅均匀地分散，且相应地，已经进行了各种尝试如尝试控制硅的粒度或尝试形成孔等。然而，难以确定分散程度。因此，要求开发一种阳极活性材料，其通过将硅均匀地分散在所述阳极活性材料中能够抑制与阳极活性材料分离并具有足够的电池容量和优异的循环特征，并且同时确定分散程度以减小硅的体积变化。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是提供一种碳-硅复合材料，其中硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒包埋在碳质物质中，其中通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄所述碳-硅复合材料的横截面，并将所述图像以三乘三的矩阵分为9个相等的部分，方程式(1)：满足0≤|Xn-Y|≤0.5Y，其中Xn(n是1-9的整数)表示所述9个相等部分的每一个中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积与所述复合材料的面积之比(％)，且Y表示全部部分中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积与所述复合材料的面积之比(％)的平均值。Xn(n是1-9的整数)的任何两个值之间的差可以为0.5Y或更小。此外，方程式(2)：可以满足如上所述，可以提供其中所述硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒均匀地分散在碳质物质中的碳-硅复合材料，从而可以提供其中硅均匀地分散在二次电池中的阳极活性材料，由此可以提高所述二次电池的充电和放电特征与寿命特征。附图说明图1示意地说明了通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄并以三乘三矩阵分成的根据本专利技术的碳-硅复合材料的横截面图像的9个相等部分(X1-X9部分)。图2说明了由SEM拍摄的根据本专利技术实施例1的碳-硅复合材料的图像通过计算机图像处理测量的纳米硅(Si)细颗粒的分散程度。图3说明了由SEM拍摄的根据本专利技术实施例2的碳-硅复合材料的图像通过计算机图像处理测量的纳米硅(Si)细颗粒的分散程度。图4说明了由SEM拍摄的根据本专利技术实施例3的碳-硅复合材料的图像通过计算机图像处理测量的纳米硅(Si)细颗粒的分散程度。图5说明了由SEM拍摄的根据本专利技术实施例4的碳-硅复合材料的图像通过计算机图像处理测量的纳米硅(Si)细颗粒的分散程度。图6说明了由SEM拍摄的根据本专利技术实施例5的碳-硅复合材料的图像通过计算机图像处理测量的纳米硅(Si)细颗粒的分散程度。图7说明了由SEM拍摄的根据本专利技术对比例的碳-硅复合材料的图像通过计算机图像处理测量的纳米硅(Si)细颗粒的分散程度。具体实施方式下文中，本专利技术的各种优点和特征以及完成它们的方法参考下面的实施例的描述将变得明显。然而，本专利技术并不局限于下面公开的示例性实施方案，而是可以以各种不同的方式实施。这些示例性实施方案仅以举例的方式提供，以使本领域技术人员可以完全理解本专利技术的公开内容和本专利技术的范围。因此，本专利技术的范围将仅由所附的权利要求书定义。在整个说明书中同样的附图标记表示同样的组件。下文，将详细地描述本专利技术。根据相关技术，当包括硅作为阳极活性材料以实现具有高容量的电池时，存在的问题是电导率劣化或者由于电池充电和放电过程中硅(Si)的体积变化，阳极活性材料与阳极集电器分离。此外，如果硅(Si)不均匀地分散在阳极活性材料中，上面提及的问题更显著。相应地，本专利技术人开发了一种碳-硅复合材料，其通过将硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒与碳质物质一起使用，能够在用于制造所述复合材料的工艺过程中防止硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒附聚，所述硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒包括纳米硅(Si)细颗粒作为核，并具有通过嵌段共聚物以所述纳米硅细颗粒为基础形成的球形胶束结构，因此，硅均匀地良好分散在所述碳质物质中。如上所述，所述硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒可以在遍及所述碳-硅复合材料的碳质物质中均匀地分散。当所述碳-硅复合材料应用于锂二次电池的阳极活性材料时，充电和放电过程中的体积膨胀问题可得以减轻，同时有效地显示出硅的高容量特征，从而锂二次电池的寿命特征可得以提高。其中所述硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒均匀地良好分散的所述碳-硅复合材料纵使其包括相同含量的硅也可实现显著更加优异的容量。例如，可以实现大约80％或更高的硅的理论容量。另外，本专利技术人发现，在通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄的所述复合材料的横截面上，纳米硅(Si)细颗粒均匀地分散在碳质物质中，建议了可表明分散程度的标准，以使可以提供当应用于二次电池时具有更均匀的分散程度的碳-硅复合材料。本专利技术可提供一种碳-硅复合材料，其中硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒包埋在碳质物质中，其中所述碳-硅复合材料的横截面图像通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄，且所述图像以三乘三矩阵分成9个相等的部分，满足方程式(1)0≤|Xn-Y|≤0.5Y，优选地，0≤|Xn-Y|≤0.3Y，且更优选地，0≤|Xn-Y|≤0.2Y，其中Xn(n是1-9的整数)表示在所述9个相等的部分中的每一个中，纳米硅(Si)细颗粒占据的面积与所述复合材料的面积之比(％)，且Y表示在全部部分中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积与所述复合材料的面积之比(％)的平均值。参考图1，可以示意地确定通过SEM拍摄的根据本专利技术的碳-硅复合材料的横截面图像中9个相等的部分和X1-X9部分的各自的位置。方程式(1)代表纳米硅(Si)在碳-硅复合材料中的分散程度，在全部部分中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积比例(％)的平均值和在每一部分中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积比例(％)的偏差的绝对值可以为所述平均值的1/2或更低。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳‑硅复合材料，其中硅(Si)‑嵌段共聚物核‑壳颗粒包埋在碳质物质中，其中通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄所述碳‑硅复合材料的横截面图像，并将所述图像以三乘三的矩阵分为9个相等的部分，满足0≤|X

【技术特征摘要】
2015.08.28 KR 10-2015-01215101.一种碳-硅复合材料，其中硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒包埋在碳质物质中，其中通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄所述碳-硅复合材料的横截面图像，并将所述图像以三乘三的矩阵分为9个相等的部分，满足0≤|Xn-Y|≤0.5Y，其中Xn(n是1-9的整数)表示所述9个相等部分的每一个中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积与所述复合材料的面积之比(％)，且Y表示全部部分中纳米硅(Si)细颗粒占据的面积与所述复合材料的面积之比(％)的平均值。2.根据权利要求1所述的碳-硅复合材料，其中Xn(n是1-9的整数)的任何两个值之间的差值为0.5Y或更小。3.根据权利要求1所述的碳-硅复合材料，其中满足4.根据权利要求1所述的碳-硅复合材料，其中在所述硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒中，硅(Si)核和嵌段共聚物壳形成以所述硅(Si)核为基础的球形胶束结构，所述嵌段共聚物壳包括对硅具有高亲和力的嵌段和对硅具有低亲和力的嵌段。5.根据权利要求4所述的碳-硅复合材料，其中对硅(Si)具有高亲和力的嵌段是聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙酸乙烯酯或聚马来酸。6.根据权利要求4所述的碳-硅复合材料，其中对硅(Si)具有低亲和力的嵌段是聚苯乙烯、聚丙烯腈、多酚、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸月桂酯或聚二氟乙烯。7.根据权利要求4所述的碳-硅复合材料，其中当在所述硅(Si)-嵌段共聚物核-壳颗粒的浆液中的粒度分布中90％的累...

【专利技术属性】
技术研发人员：河正贤，金尧燮，郑恩惠，
申请(专利权)人：OCI有限公司，
类型：发明
国别省市：韩国,KR