多孔硅结构体、包含其的多孔硅碳复合材料以及负极活性材料制造技术

本发明专利技术的实施方案涉及多孔硅结构体、包含其的多孔硅碳复合材料以及负极活性材料。多孔硅结构体和多孔硅碳复合材料各自具有满足特定范围的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)，因此，当将其施用于负极活性材料时，多孔硅结构体和多孔硅碳复合材料可以具有优异的容量保持以及显著提高的放电容量和初始效率。容量保持以及显著提高的放电容量和初始效率。容量保持以及显著提高的放电容量和初始效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔硅结构体、包含其的多孔硅碳复合材料以及负极活性材料


[0001]本专利技术涉及多孔硅结构体、多孔硅碳复合材料以及包含该多孔硅碳复合材料的负极活性材料。

技术介绍

[0002]近年来，随着在信息和通信行业的发展下电子设备变得同时更小、更轻、更薄且更便携，对用作这些电子设备的电源的高能量密度电池的需求与日俱增。锂二次电池是最能满足该需求的电池，并且正在积极进行使用锂二次电池的小型电池以及将其应用于诸如车辆和储能系统的大型电子设备的研究。
[0003]广泛使用碳材料作为这种锂二次电池的负极活性材料。为了进一步提高电池的容量，正在研究硅基负极活性材料。由于硅的理论容量(4199mAh/g)比石墨的理论容量(372mAh/g)大10倍或更多，因此预期电池容量有显著提高。
[0004]例如，在锂嵌入到硅中时的反应方案如下：
[0005][反应方案1][0006]22Li+5Si＝Li
22
Si5。
[0007]在根据上述反应方案的硅基负极活性材料中，形成了具有高容量的每个硅原子含有多达4.4个锂原子的合金。然而，在大多数硅基负极活性材料中，因锂的嵌入而导致高达300％的体积膨胀，这会破坏负极，使其难以表现出高循环特性。
[0008]此外，这种体积变化可能导致在负极活性材料的表面上有裂纹，并且在负极活性材料内可能形成有离子材料，从而导致负极活性材料与集电器电分离。这种电分离现象会显著降低电池的容量保持率。
[0009]为了解决这个问题，日本专利号4393610公开了一种负极活性材料，其中将硅和碳进行了机械处理而形成复合材料，并且使用化学气相沉积(CVD)方法将硅颗粒的表面涂覆有碳层。
[0010]此外，日本公开专利公开号2016
‑
502253公开了一种负极活性材料，其包含多孔硅基颗粒和碳颗粒，其中所述碳颗粒包括具有不同平均粒径的细碳颗粒和粗碳颗粒。
[0011]然而，尽管这些现有技术文献涉及包含硅和碳的负极活性材料，但是在充电和放电期间抑制体积膨胀和收缩是有限的。因此，仍然需要进行研究以解决这些问题。
[0012][现有技术文献][0013][专利文献][0014](专利文献1)日本专利号4393610
[0015](专利文献2)日本公开专利公开号2016
‑
502253。

技术实现思路

[0016]技术问题
[0017]本专利技术旨在解决现有技术的问题。本专利技术的一个目的是提供一种多孔硅结构体，当将其施用于负极活性材料时，该多孔硅结构体因满足多孔硅结构体中的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)的特定范围而提高二次电池的性能。
[0018]本专利技术的另一个目的是提供一种多孔硅碳复合材料，当将其施用于负极活性材料时，该多孔硅碳复合材料因包含多孔硅结构体和碳而显著改善放电容量和初始效率并且使容量保持率优异。
[0019]本专利技术的又一个目的是提供用于制备多孔硅结构体和多孔硅碳复合材料的方法。
[0020]本专利技术的又一个目的是提供一种包含多孔硅碳复合材料的负极活性材料和包含该负极活性材料的锂二次电池。
[0021]问题的解决方案
[0022]本专利技术提供了一种包含硅颗粒的多孔硅结构体，其中多孔硅结构体中的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)为0.01至0.35。
[0023]此外，本专利技术提供了一种多孔硅碳复合材料，其包含多孔硅结构体和碳。
[0024]此外，本专利技术提供了一种用于制备多孔硅结构体的方法，其包括：使用蚀刻溶液蚀刻硅基原材料粉末的第一步骤，所述蚀刻溶液包含含氟(F)原子的化合物；以及将通过蚀刻获得的产物进行过滤和干燥以制备多孔硅结构体的第二步骤。
[0025]此外，本专利技术提供了一种用于制备多孔硅碳复合材料的方法，其包括：使用蚀刻溶液蚀刻硅基原材料粉末的第一步骤，所述蚀刻溶液包含含氟(F)原子的化合物；将通过蚀刻获得的产物进行过滤和干燥以制备多孔硅结构体的第二步骤；以及通过使用化学热分解沉积方法在多孔硅结构体的表面上形成碳层以制备多孔硅碳复合材料的第三步骤。
[0026]此外，本专利技术提供了一种用于锂二次电池的负极活性材料，其包含多孔硅碳复合材料。
[0027]此外，本专利技术提供了一种锂二次电池，其包含用于锂二次电池的负极活性材料。
[0028]本专利技术的有利效果
[0029]根据实施方案，由于多孔硅结构体具有在多孔硅结构体中满足特定范围的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)，当将其与粘结剂和导电材料一起作为二次电池的负极活性材料以制备负极活性材料组合物时，其是易于分散的，诸如强度的机械性能是优异的，并且当施用于负极活性材料时可以提高二次电池的性能。
[0030]根据另一个实施方案，包含多孔硅结构体和碳的多孔硅碳复合材料在施用于负极活性材料时具有显著改善的放电容量和初始效率以及优异的容量保持率。
[0031]此外，根据实施方案的方法具有可以通过步骤最少化的连续方法进行大规模生产的优点。
附图说明
[0032]附属于本说明书的附图示出了本专利技术的优选实施方案，并用于进一步理解本专利技术的技术思想以及对本专利技术的描述。因此，本专利技术不应被解释为仅限于附图中所示的那些。
[0033]图1示出实施例1中制备的多孔硅结构体(B1)在通过离子束扫描电子显微镜(FIB
‑
SEM)分析时在10000和30000的放大倍数下的照片。
[0034]图2示出实施例1中制备的多孔硅碳复合材料(C1)在通过离子束扫描电子显微镜
(FIB
‑
SEM)分析时在10000和30000的放大倍数下的照片。
[0035]图3示出实施例5中制备的多孔硅碳复合材料(C5)的表面的透射电子显微镜(TEM)照片。
[0036]图4示出实施例1的多孔硅碳复合材料(C1)的X射线衍射分析的测量结果。
[0037]图5示出实施例1的多孔硅碳复合材料(C1)的拉曼分析的测量结果。
具体实施方式
[0038]本专利技术不限于以下公开的内容。相反，只要不改变本专利技术的要旨，就可以以各种形式对其进行修改。
[0039]在本说明书中，除非另有说明，否则当某部分被称为“包含”某要素时，应理解为该部分也可以包括其他要素。
[0040]此外，除非另有说明，否则本文中使用的与组分、反应条件等的量相关的所有数字和表达均应理解为由术语“约”修饰。
[0041][多孔硅结构体][0042]根据本专利技术的实施方案的多孔硅结构体包含硅颗粒，其中多孔硅结构体中的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)为0.01至0.35。
[0043]根据本专利技术的实施方案，可以减少多孔硅结构体的表面上存在的氧原子数。亦即，本专利技术的关键特征在于可以显著降低氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)。当将多孔硅结构体与粘结剂和导电材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多孔硅结构体，其包含硅颗粒，其中所述多孔硅结构体中的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)为0.01至0.35。2.根据权利要求1所述的多孔硅结构体，其中，所述多孔硅结构体包含硅聚集体，在所述硅聚集体中，硅颗粒彼此相连。3.根据权利要求1所述的多孔硅结构体，其中，所述硅颗粒在X射线衍射分析中具有1nm至20nm的微晶尺寸。4.根据权利要求1所述的多孔硅结构体，其进一步包含在硅颗粒的表面上形成的硅氧化物(SiO
x
，0.1＜x≤2)。5.根据权利要求4所述的多孔硅结构体，其中，所述多孔硅结构体中氧(O)的含量为基于多孔硅结构体的总重量的0.1重量％至15重量％。6.根据权利要求1所述的多孔硅结构体，其中，所述多孔硅结构体具有1μm至15μm的平均粒径(D
50
)和1.5g/cm3至2.3g/cm3的比重。7.根据权利要求1所述的多孔硅结构体，其中，所述多孔硅结构体在其内部包含孔，当所述多孔硅结构体的表面通过气体吸附法(BET图法)进行测量时，所述多孔硅结构体包含2nm或更小的微孔和大于2nm至50nm的中孔，所述微孔的孔体积为0.1cm3/g至0.5cm3/g，所述中孔的孔体积为0.2cm3/g至0.7cm3/g，所述多孔硅结构体具有100m2/g至1600m2/g的比表面积(布鲁厄
‑
埃米特
‑
特勒法；BET)。8.一种多孔硅碳复合材料，其包含权利要求1所述的多孔硅结构体和碳。9.根据权利要求8所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述多孔硅碳复合材料中的氧(O)原子与硅(Si)原子的摩尔比(O/Si)为0.01至0.35。10.根据权利要求8所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述多孔硅碳复合材料在其内部包含孔，并且所述多孔硅碳复合材料的孔隙率为基于多孔硅碳复合材料的体积的0.5体积％至40体积％。11.根据权利要求8所述的多孔硅碳复合材料，其中，硅(Si)的含量为基于多孔硅碳复合材料的总重量的30重量％至90重量％。12.根据权利要求8所述的多孔硅碳复合材料，其中，碳存在于硅颗粒的表面上，碳用作基质，硅颗粒和孔分散在碳基质中，或者碳以这两种方式存在。13.根据权利要求12所述的多孔硅碳复合材料，其中，碳进一步在多孔硅结构体的表面上形成碳层。14.根据权利要求13所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述碳层包括选自石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨中的至少一种。15.根据权利要求13所述的多孔硅碳复合材料，其中，碳(C)的含量为基于多孔硅碳复合材料的总重量的10重量％至90重量％。16.根据权利要求14所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述碳层具有1nm至300nm的厚度。17.根据权利要求8...

【专利技术属性】
技术研发人员：全永珉，朴正圭，李炫锡，林成宇，南相镇，林钟赞，李廷贤，
申请(专利权)人：大洲电子材料株式会社，
类型：发明
国别省市：