Содержащий сплав si активный материал отрицательного электрода для электрических устройств

Содержащий сплав si активный материал отрицательного электрода для электрических устройств

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к содержащему сплав Si активному материалу отрицательного электрода для электрических устройств и электрическому устройству с его использованием. Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода для электрических устройств и электрическое устройство с его использованием согласно настоящему изобретению являются подходящими для применения в качестве, например, аккумуляторных батарей или конденсаторов в источниках питания для приведения в движение электромотора и вспомогательных источниках питания для транспортных средств, таких как электрические транспортные средства (электромобили), транспортные средства на топливных элементах, гибридные электромобили и т.д.

Уровень техники

[0002] В последние годы уделяется существенное внимание уменьшению выбросов CO₂ для того, чтобы разрешать проблемы загрязнения воздуха и глобального потепления. Все большие ожидания в автомобильной промышленности связаны с появлением электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV) для уменьшения выбросов CO₂, и проводится интенсивная работа в области разработки аккумуляторных батарей для приведения в движение электромотора, которые становятся ключевым фактором для практического применения этих электромобилей.

[0003] Аккумуляторные батареи для приведения в движение электромотора должны иметь высокие характеристики мощности и высокую энергию по сравнению с потребительскими литий-ионными аккумуляторными батареями для мобильных телефонов, ноутбуков и т.д. Из всех батарей особое внимание уделяется литий-ионным аккумуляторным батареям, имеющим относительно высокую теоретическую энергию. В настоящее время наблюдается быстрый рост в сфере разработки литий-ионных аккумуляторных батарей.

[0004] В общем, литий-ионная аккумуляторная батарея включает в себя положительный электрод, в котором активный материал положительного электрода нанесен на обе стороны токоотвода положительного электрода с использованием связующего и т.д., и отрицательный электрод, в котором активный материал отрицательного электрода нанесен на обе стороны токоотвода отрицательного электрода с использованием связующего и т.д. Положительный и отрицательный электроды соединены друг с другом через слой электролита и размещены в кожухе батареи.

[0005] Традиционно для отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторных батарей используются углеродные/графитовые материалы с точки зрения ресурса в циклах заряда/разряда и преимущества низких затрат. Тем не менее активные материалы отрицательного электрода на основе углерода/графита выполняют операцию заряда/разряда посредством абсорбции и десорбции ионов лития в кристаллы графита и из них и поэтому имеют такой недостаток, что эти активные материалы отрицательного электрода не могут достигать зарядной/разрядной емкости, большей или равной 372 мА·ч/г, т.е. теоретической емкости интеркаляционного соединения LiC₆ с максимальным содержанием лития. В случае активных материалов отрицательного электрода на основе углерода/графита затруднительно обеспечивать удовлетворительный уровень емкости и плотности энергии для практического применения в транспортных средствах.

[0006] С другой стороны, в качестве материалов отрицательного электрода для применений в транспортных средствах ожидаются материалы, способные образовывать сплав с литием (Li), вследствие того факта, что батареи с использованием этих образующих сплав с Li материалов имеют повышенную плотность энергии по сравнению с батареями с использованием традиционных активных материалов отрицательного электрода на основе углерода/графита. В случае материала Si, например, в ходе операции заряда/разряда происходят абсорбция и десорбция 4,4 молей ионов лития на 1 моль Si, как указано в следующей схеме реакции (1). Теоретическая емкость Li₂₂Si₅ (=Li_4,4Si) достигает 2100 мА·ч/г. Материал Si имеет начальную емкость 3200 мА·ч/г в расчете на единицу веса.

[0007] Si+4,4Li⁺+e^-↔Li_4,4Si (1)

[0008] Однако в литий-ионной аккумуляторной батарее такой образующий сплав с Li материал отрицательного электрода демонстрирует высокую степень расширения и сжатия в ходе операции заряда/разряда. В то время как графитовый материал расширяется при абсорбции ионов лития примерно в 1,2 раза по объему, материал Si демонстрирует большее изменение объема (т.е. расширяется примерно в 4 раза по объему) посредством перехода из аморфной в кристаллическую фазу во время образования сплава Si с Li. Это приводит к ухудшению циклического ресурса электрода. Кроме того, материал Si имеет компромиссное соотношение между емкостью и циклической долговечностью, так что трудно улучшить циклическую долговечность материала Si при одновременном обеспечении высокой емкости материала Si.

[0009] Чтобы разрешать вышеописанные проблемы, в качестве метода повышения циклического ресурса Si в качестве активного материала отрицательного электрода было предложено "легирование" Si добавлением различных элементов-металлов. Тем не менее, многие предложения (к примеру, изобретения) по легированию Si относятся к композиционным материалам, в которых Si смешивается с другими элементами-металлами. Многие из этих композиционных материалов Si имеют гораздо меньшую емкость, чем Si. Эти композиционные материалы Si также обнаруживают значительное снижение эффективности начального заряда/разряда при повышении содержания вторичной фазы. Кроме того, известно, что активные материалы отрицательного электрода на основе легированного кремния обнаруживают снижение эффективности начального заряда/разряда при повышении концентрации легирующих металлов. Например, был предложен активный материал отрицательного электрода для литий-ионной аккумуляторной батареи, содержащий аморфный сплав, имеющий состав, представленный формулой: Si_xM_yAl_z (см., например, патентный документ 1). В этой формуле x, y и z представляют собой значения атомного процента и удовлетворяют следующим условиям: x+y+z=100, x≥55, y<22 и z>0; и M представляет собой по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Mn, Mo, Nb, W, Ta, Fe, Cu, Ti, V, Cr, Ni, Co, Zr и Y. В абзаце [0018] патентного документа 1 описывается то, что содержащий аморфный сплав активный материал отрицательного электрода может достигать не только высокой емкости, но и хорошего циклического ресурса при минимизации содержания металла M.

[0010] При использовании аморфного сплава Si_xM_yAl_z по патентному документу 1 в отрицательном электроде может быть возможным достижение литий-ионной аккумуляторной батареей высоких циклических характеристик. Однако даже в этом случае начальная емкость и циклическая емкость литий-ионной аккумуляторной батареи не находятся на достаточно высоком уровне.

[0011] Как упомянуто выше, электроды с использованием активных материалов отрицательного электрода на основе легированного кремния по патентному документу 1 и т.д. и батареи с их использованием повышают циклическую долговечность, но сталкиваются с проблемой снижения эффективной емкости батареи вследствие низкой эффективности начального заряда/разряда. Помимо этого, требуются очень сложные корректировки в фактическом изготовлении батарей вследствие увеличения отличия между характеристиками положительного и отрицательного электродов. Хотя "зарядная/разрядная емкость" и "циклическая долговечность" специально отмечаются в качестве рабочих характеристик, требуемых от активного материала отрицательного электрода, не только "зарядная/разрядная емкость" и "циклическая долговечность", но и "эффективность начального заряда/разряда" представляют собой очень важные параметры для реального применения батарей. Однако до сих пор не было активного материала отрицательного электрода, который достиг бы хорошего баланса между этими электрохимическими характеристиками.

Документы уровня техники

Патентные документы

[0012] Патентный документ 1: JP-T-2009-517850

Сущность изобретения

[0013] Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить активный материал отрицательного электрода для электрических устройств, таких как литий-ионные батареи (в дальнейшем иногда называемый просто "активным материалом отрицательного электрода"), способный достигать хорошо сбалансированных характеристик, сочетая высокую циклическую долговечность с высокой эффективностью начального заряда/разряда.

[0014] Авторы настоящего изобретения выбрали в качестве активного материала отрицательного электрода одну подходящую комбинацию кремния (Si) и двух или более добавочных элементов, взаимно комплементарных кремнию (Si), посредством множества проб и ошибок и избыточных экспериментов с использованием огромного числа комбинаций Si и элементов-металлов и неметаллов. Другими словами, авторы настоящего изобретения обнаружили, что можно решить вышеуказанные проблемы при использовании тройного сплава Si-C-Al, в котором активный материал Si и первый и второй добавочные элементы C и Al являются взаимно комплементарными друг другу и удовлетворяют конкретному диапазону соотношения компонентов в составе Si-C-Al. Настоящее изобретение основано на этих изысканиях.

[0015] А именно, цель настоящего изобретения может быть достигнута активным материалом отрицательного электрода для электрического устройства, содержащим сплав, имеющий состав, представленный формулой: Si_xC_yAl_z. В этой формуле состава Si_xC_yAl_z x, y и z представляют собой значения массового процента и удовлетворяют следующим условиям:

x+y+z=100

36≤x<100

0<y<64

0<z<64.

[0016] В активном материале отрицательного электрода для электрического устройства согласно настоящему изобретению конкретное содержание C в качестве первого добавочного элемента в сплаве вышеуказанного состава выполняет функцию, во время образования сплава Si с Li, предотвращения перехода из аморфной в кристаллическую фазу с тем, чтобы получить улучшение циклического ресурса. Кроме того, конкретное содержание Al в качестве второго добавочного элемента в сплаве вышеуказанного состава выполняет функцию, во время образования сплава Si с Li, предотвращения снижения емкости электрода с повышением концентрации первого добавочного элемента в активном материале отрицательного электрода для электрического устройства. Как результат комбинации этих функций, можно получить значительные, полезные эффекты, заключающиеся в том, что активный материал отрицательного электрода, содержащий сплав вышеуказанного состава, может достигать хорошо сбалансированных характеристик, таких как высокая емкость, например высокая начальная емкость, высокая эффективность заряда/разряда и высокая циклическая долговечность.

Краткое описание чертежей

[0017] ФИГ. 1 является схематичным видом в поперечном сечении пакетированной плоской небиполярной литий-ионной аккумуляторной батареи в качестве типичного варианта реализации электрического устройства согласно настоящему изобретению.

ФИГ. 2 является видом в перспективе, показывающим внешний вид пакетированной плоской литий-ионной аккумуляторной батареи в качестве типичного варианта реализации электрического устройства согласно настоящему изобретению.

ФИГ. 3 является диаграммой состава тройного сплава Si-C-Al, на которой образцы сплавов Si-C-Al (образцы №№ 1-33) из примера 1 графически нанесены посредством цветового кодирования (затенения) значений разрядной емкости в 1-м цикле (мА·ч/г) батарей с использованием соответствующих образцов.

ФИГ. 4 является диаграммой состава тройного сплава Si-C-Al, на которой образцы сплавов Si-C-Al (образцы №№ 1-33) из примера 1 графически нанесены посредством цветового кодирования (затенения) значений сохранности разрядной емкости в 50-м цикле (%) батарей с использованием соответствующих образцов.

ФИГ. 5 является диаграммой, на которой диапазон состава образцов сплавов Si-C-Al из примера 1, где Si+C+Al (каждый в единицах вес.%/100)=1,00; 0,36≤Si(вес.%/100)<1,00; 0<C(вес.%/100)<0,64; и 0<Al(вес.%/100)<0,64, обведен линией и кодирован цветом (затенен) на диаграмме состава тройного сплава Si-C-Al по ФИГ. 3.

ФИГ. 6 является диаграммой, на которой предпочтительный диапазон состава образцов сплавов Si-C-Al из примера 1, где Si+C+Al (каждый в единицах вес.%/100)=1,00; 0,36≤Si(вес.%/100)≤0,80; 0,03≤C(вес.%/100)≤0,37; и 0,10≤Al(вес.%/100)≤0,56, обведен линией и кодирован цветом (затенен) на диаграмме состава тройного сплава Si-C-Al по ФИГ. 4.

ФИГ. 7 является диаграммой, на которой более предпочтительный диапазон состава образцов сплавов Si-C-Al из примера 1, где Si+C+Al (каждый в единицах вес.%/100)=1,00; 0,41≤Si(вес.%/100)≤0,71; 0,03≤C(вес.%/100)≤0,29; и 0,10≤Al(вес.%/100)≤0,56, обведен линией и кодирован цветом (затенен) на диаграмме состава тройного сплава Si-C-Al по ФИГ. 4.

ФИГ. 8 является диаграммой, на которой еще более предпочтительный диапазон состава образцов сплавов Si-C-Al из примера 1, где Si+C+Al (каждый в единицах вес.%/100)=1,00; 0,41≤Si(вес.%/100)≤0,71; 0,03≤C(вес.%/100)≤0,29; и 0,15≤Al(вес.%/100)≤0,56, обведен линией и кодирован цветом (затенен) на диаграмме состава тройного сплава Si-C-Al по ФИГ. 4.

ФИГ. 9 является диаграммой, на которой особенно предпочтительный диапазон состава образцов сплавов Si-C-Al из примера 1, где Si+C+Al (каждый в единицах вес.%/100)=1,00; 0,43≤Si(вес.%/100)≤0,61; 0,03≤C(вес.%/100)≤0,29; и 0,20≤Al(вес.%/100)≤0,54, обведен линией и кодирован цветом (затенен) на диаграмме состава тройного сплава Si-C-Al по ФИГ. 4.

ФИГ. 10 является графиком, показывающим все кривые заряда/разряда в 1-50-м циклах оцениваемого аккумулятора (плоского круглого аккумулятора типа CR2032) с использованием сплава Si(58 вес.%)-C(4 вес.%)-Al(38 вес.%) образца № 7 из примера 1 в качестве активного материала отрицательного электрода в оцениваемом электроде.

Подробное описание вариантов реализации

[0018] В дальнейшем со ссылкой на чертежи будут описаны примерные варианты реализации активного материала отрицательного электрода для электрических устройств и электрического устройства с его использованием согласно настоящему изобретению. Здесь следует отметить, что технический объем настоящего изобретения должен определяться на основе изложения формулы изобретения и не должен быть ограничен нижеприведенными вариантами реализации. На чертежах аналогичные детали и части обозначаются аналогичными ссылочными номерами для того, чтобы опустить их повторяющиеся пояснения; кроме того, размеры соответствующих деталей и частей могут быть преувеличены для целей иллюстрации и могут отличаться от фактических размеров.

[0019] Сначала со ссылкой на чертежи ниже будет пояснена базовая конструкция электрического устройства, в котором применим активный материал отрицательного электрода согласно настоящему изобретению. Следующий вариант реализации относится к литий-ионной батарее в качестве одного примера электрического устройства.

[0020] Более конкретно, активный материал отрицательного электрода для литий-ионной батареи в качестве одного типичного варианта реализации активного материала отрицательного электрода для электрического устройства согласно настоящему изобретению, а также отрицательный электрод и литий-ионная батарея с использованием этого активного материала отрицательного электрода являются преимущественными тем, что можно предоставлять гальванический элемент (единичный аккумулятор) с высоким напряжением, высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности. Таким образом, настоящий вариант реализации может надлежащим образом применяться к литий-ионной аккумуляторной батарее в качестве источников питания для транспортных средств, поскольку отрицательный электрод и литий-ионная батарея с использованием активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации превосходно подходят для использования в источниках питания для приведения в движение и вспомогательных источниках питания для транспортных средств. Настоящий вариант реализации также может удовлетворительно применяться к литий-ионной аккумуляторной батарее для мобильных приборов, таких как мобильные телефоны.

[0021] Отсутствуют конкретные ограничения на конструкцию и тип литий-ионной батареи согласно настоящему варианту реализации при условии, что в литий-ионной батарее используется нижеуказанный активный материал отрицательного электрода.

[0022] Что касается типа использования литий-ионной батареи, например, то литий-ионная батарея может представлять собой либо литий-ионную батарею первичных элементов, либо литий-ионную батарею вторичных элементов, т.е. аккумуляторную батарею. Вследствие своей высокой циклической долговечности литий-ионная батарея предпочтительно представляет собой литий-ионную аккумуляторную батарею, предназначенную для использования в качестве источников питания для приведения в движение транспортных средств или для использования в мобильных приборах, таких как мобильные телефоны и т.д.

[0023] Что касается конструкции и формы литий-ионной батареи, то литий-ионная батарея может иметь любую известную конструкцию и форму, такую как пакетированная (плоская) конструкция, обмоточная (цилиндрическая) конструкция и т.д. Выбор пакетированной (плоской) конструкции батареи позволяет обеспечивать долгосрочную надежность батареи посредством простой технологии герметизации, например термокомпрессионной сварки, и предоставляет преимущества по затратам, технологичности и т.д.

[0024] Что касается электрического соединения (конфигурации электродов) внутри литий-ионной батареи, то литий-ионная батарея может быть небиполярного типа (с внутренним параллельным соединением) или биполярного типа (с внутренним последовательным соединением).

[0025] Дополнительно, литий-ионная батарея может быть снабжена слоем электролита любого известного типа в виде батареи с растворным электролитом с использованием электролита-раствора, например неводного раствора электролита в слое электролита, или полимерной батареи с использованием полимерного электролита в слое электролита. Полимерные батареи классифицируются на батареи с гелеобразным электролитом с использованием полимерного гелеобразного электролита (иногда называемого просто "гелевым электролитом") и твердополимерные (твердотельные) батареи с использованием твердого полимерного электролита (иногда называемого просто "полимерным электролитом").

[0026] В нижеприведенном описании будет кратко описана литий-ионная батарея небиполярного типа (с внутренним параллельным соединением) с использованием активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации со ссылкой на чертежи. Технический объем литий-ионной батареи согласно настоящему варианту реализации не ограничивается нижеприведенным описанием.

[0027] Общая конструкция батареи

ФИГ. 1 является схематичным видом в поперечном сечении, показывающим общую конструкцию плоской (пакетированной) литий-ионной аккумуляторной батареи (иногда называемой просто "пакетированной батареей") в качестве типичного варианта реализации электрического устройства согласно настоящему изобретению.

[0028] Как показано на ФИГ. 1, пакетированная батарея 10 согласно настоящему варианту реализации включает в себя практически прямоугольный вырабатывающий электроэнергию элемент 21, который фактически претерпевает реакцию заряда/разряда, герметизированный в корпусе из листов 29 пленки-ламината. Вырабатывающий электроэнергию элемент 21 имеет положительные электроды, в каждом из которых размещаются слои 13 активного материала положительного электрода с обеих сторон токоотвода 11 положительного электрода, слои 17 электролита и отрицательные электроды, в каждом из которых размещаются слои 15 активного материала отрицательного электрода с обеих сторон токоотвода 12 отрицательного электрода. Отрицательные электроды, слои 17 электролита и положительные электроды поочередно уложены поверх друг друга пакетом (стопкой) таким образом, что любой из слоев 13 активного материала положительного электрода и смежный ему слой из слоев 15 активного материала отрицательного электрода обращены друг к другу через слой 17 электролита.

[0029] Эти смежно расположенные слой 13 активного материала положительного электрода, слой 17 электролита и слой 15 активного материала отрицательного электрода составляют гальванический элемент (единичный аккумулятор) 19. Таким образом, можно сказать, что пакетированная батарея 10 имеет конструкцию, в которой множество гальванических элементов (единичных аккумуляторов) 19 уложены поверх друг друга пакетом и электрически подключены параллельно, как показано на ФИГ. 1. Самые внешние токоотводы положительного электрода находятся в самых внешних слоях вырабатывающего электроэнергию элемента 21. Хотя слой 13 активного материала положительного электрода сформирован только на одной стороне самого внешнего токоотвода положительного электрода, слои 13 активного материала положительного электрода могут быть сформированы с обеих сторон самого внешнего токоотвода положительного электрода. А именно, в качестве самого внешнего токоотвода положительного электрода вполне можно приспособить токоотвод со слоями активного материала с обеих сторон как он есть вместо того, чтобы формировать специально предназначенный самый внешний токоотвод со слоем активного материала на одной стороне. Компоновка положительных и отрицательных электродов может быть инвертирована относительно компоновки по ФИГ. 1, так что самые внешние токоотводы отрицательного электрода, каждый со слоем активного материала отрицательного электрода на одной стороне, располагаются в качестве самых внешних слоев вырабатывающего электроэнергию элемента 21.

[0030] Токоотводные пластины 25 и 27 положительного и отрицательного электродов соединены соответственно с токоотводами 11 и 12 положительного и отрицательного электродов для электрического подключения к электродам (положительным и отрицательным электродам). Каждая из токоотводных пластин 25 и 27 положительного и отрицательного электродов выведена из промежутка между концевыми частями листов 29 пленки-ламината. При этом при необходимости токоотводные пластины 25 и 27 положительного и отрицательного электродов могут быть соединены ультразвуковой сваркой, контактной сваркой и т.д. через выводы положительного и отрицательного электродов (не показаны).

[0031] Вышеописанная литий-ионная аккумуляторная батарея характеризуется составом своего активного материала отрицательного электрода. В дальнейшем основные части батареи, включая активный материал отрицательного электрода, будут описаны подробнее.

[0032] Слой активного материала

Слой 13, 15 активного материала включает в себя активный материал и, необязательно, добавку или добавки.

[0033] Слой активного материала положительного электрода

Слой 13 активного материала положительного электрода включает в себя активный материал положительного электрода.

[0034] Активный материал положительного электрода

В качестве активного материала положительного электрода может быть использован сложный оксид лития-переходного металла, фосфатное соединение лития-переходного металла, сульфатное соединение лития-переходного металла, система на основе твердого раствора, тройная система, система на основе NiMn, система на основе NiCo, система на основе Mn со структурой шпинели и т.д. Примеры сложного оксида лития-переходного металла включают в себя LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, Li(Ni,Mn,Co)O₂, Li(Li,Ni,Mn,Co)O₂, LiFePO₄, а также сложные оксиды, полученные частичным замещением этих переходных металлов на другие элементы. Примеры системы на основе твердого раствора включают в себя твердый раствор LiMO₂ и Li₂NO₃, xLiMO₂·(1-x)Li₂NO₃ (где 0<x<1; M является одним или более видов переходных металлов со средней степенью окисления 3+; и N является одним или более видов переходных металлов со средней степенью окисления 4+) и LiRO₂-LiMn₂O₄ (где R является переходным элементом-металлом, таким как Ni, Mn, Co или Fe). Примеры тройной системы включают в себя (композиционный) активный материал положительного электрода на основе никеля, кобальта и марганца. Примеры системы на основе Mn со структурой шпинели включают в себя LiMn₂O₄. Примеры системы на основе NiMn включают в себя LiNi_0,5Mn_1,5O₄. Примеры системы на основе NiCo включают в себя Li(NiCo)O₂. В некоторых случаях два или более вида активных материалов положительного электрода могут быть использованы в комбинации. Среди прочих, предпочтительными в качестве активного материала положительного электрода являются сложный оксид лития-переходного металла и система на основе твердого раствора с точки зрения характеристик емкости и мощности. Разумеется, могут быть использованы любые другие активные материалы положительного электрода. В случае, если активные материалы имеют различные оптимальные размеры частиц, чтобы демонстрировать соответствующие им конкретные эффекты, можно смешивать частицы таких оптимальных размеров, и не всегда необходимо униформизировать размеры частиц всех активных материалов.

[0035] Отсутствуют конкретные ограничения на средний размер частиц активного материала положительного электрода в слое 13 активного материала положительного электрода. С точки зрения высоких характеристик мощности средний размер частиц активного материала положительного электрода предпочтительно составляет 1-20 мкм. В данном описании термин "размер частиц" относится к максимальному расстоянию между двумя произвольными точками на внешнем контуре частицы активного материала (наблюдаемой поверхности), наблюдаемой посредством средства наблюдения, такого как растровый электронный микроскоп (SEM) и просвечивающий электронный микроскоп (TEM); а термин "средний размер частиц" относится к среднему значению размеров частиц активного материала, наблюдаемых в поле зрения числом от нескольких до нескольких десятков посредством средства наблюдения, такого как растровый электронный микроскоп (SEM) и просвечивающий электронный микроскоп (TEM). Размер частиц и средний размер частиц других компонентов определяются таким же образом.

[0036] Положительный электрод (слой активного материала положительного электрода) может быть сформирован посредством обычного процесса нанесения суспензии (нанесения покрытия) или посредством перемешивания, распыления, осаждения из паровой фазы, CVD, PVD, ионного осаждения или термического напыления.

[0037] Слой активного материала отрицательного электрода

Слой 15 активного материала отрицательного электрода включает в себя активный материал отрицательного электрода, содержащий сплав, представленный формулой состава Si_xC_yAl_z, согласно настоящему варианту реализации. Использование активного материала отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации позволяет получать хорошие электроды с высокой емкостью, высокой циклической долговечностью и высокой эффективностью начального заряда/разряда для литий-ионной аккумуляторной батареи. Использование такого отрицательного электрода, включающего в себя активный материал отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации, позволяет придавать литий-ионной аккумуляторной батарее превосходные характеристики, такие как высокая емкость и высокая циклическая долговечность.

[0038] Активный материал отрицательного электрода

Активный материал отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации характеризуется тем, что в активном материале отрицательного электрода содержится сплав, представленный формулой состава Si_xC_yAl_z. В формуле состава Si_xC_yAl_z x, y и z представляют собой значения массового процента и удовлетворяют следующим условиям:

x+y+z=100

36≤x<100

0<y<64

0<z<64.

В настоящем варианте реализации в качестве первого добавочного элемента выбран углерод (C), чтобы предотвратить переход из аморфной в кристаллическую фазу во время образования сплава с Li и тем самым получить улучшение циклического ресурса, а в качестве второго добавочного элемента выбран алюминий (Al), чтобы предотвратить снижение емкости электрода с повышением концентрации первого добавочного элемента. Кроме того, соотношением высокоемкого элемента Si и этих добавочных элементов в составе управляют в рамках надлежащего диапазона. Причина предотвращения возникновения перехода из аморфной в кристаллическую фазу состоит в том, что материал Si демонстрирует большее изменение объема (т.е. расширяется примерно в 4 раза по объему) при переходе из аморфной в кристаллическую фазу во время образования сплава Si с Li, посредством чего частицы разрушаются, теряя функцию активного материала. Можно избежать разрушения частиц, сохранить функцию активного материала (высокую емкость, например, высокую начальную емкость и высокую эффективность начального заряда/разряда) и получать улучшение циклического ресурса посредством предотвращения возникновения перехода из аморфной в кристаллическую фазу. Таким образом, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает хорошо сбалансированных характеристик, таких как высокая емкость, например высокая начальная емкость, высокая эффективность начального заряда/разряда и высокая циклическая долговечность, когда первый и второй добавочные элементы выбраны и отрегулированы таким образом, что соотношение высокоемкого элемента Si и выбранных первого и второго добавочных элементов в составе попадает в конкретный диапазон. Более конкретно, когда соотношение компонентов в составе сплава Si-C-Al попадает в диапазон, обведенный сплошной жирной линией (внутрь треугольника) на ФИГ. 5, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает очень высокой емкости, которая вряд ли может достигаться традиционным активным материалом отрицательного электрода на основе углерода. Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода также достигает более высокой емкости, например, высокой начальной емкости (1113 мА·ч/г или выше), и более высокой эффективности начального заряда/разряда (94% или выше), чем у традиционного активного материала отрицательного электрода из сплава на основе олова (Sn). Хотя традиционный активный материал отрицательного электрода на основе Sn и активный материал отрицательного электрода на основе полиметаллического сплава по патентному документу 1 имеют высокую емкость, но плохую циклическую долговечность вследствие компромиссного соотношения между емкостью и циклической долговечностью, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает более высокого уровня циклической долговечности, чем у этих традиционных активных материалов отрицательного электрода.

[0039] В активном материале отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации является предпочтительным, чтобы значения x, y и z в формуле состава Si_xC_yAl_z удовлетворяли следующим условиям:

x+y+z=100

36≤x≤80

3≤y≤37

10≤z≤56.

Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает превосходных характеристик, когда соотношение высокоемкого элемента Si, первого добавочного элемента C и второго добавочного элемента Al в составе попадает в вышеуказанный конкретный диапазон. Более конкретно, когда соотношение компонентов в составе сплава Si-C-Al попадает в диапазон, обведенный сплошной жирной линией (внутрь шестиугольника) на ФИГ. 6, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает очень высокой емкости, которая вряд ли может достигаться традиционным активным материалом отрицательного электрода на основе углерода. Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода также достигает более высокой емкости, например более высокой начальной емкости (1113 мА·ч/г или выше), и более высокой эффективности начального заряда/разряда (94% или выше), чем у традиционного активного материала отрицательного электрода из сплава на основе Sn. Этот диапазон состава (внутри шестиугольника, обведенного сплошной жирной линией на ФИГ. 6) соответствует тому диапазону, где были фактически реализованы высокая емкость, например высокая начальная емкость, и высокая эффективность заряда/разряда в образцах 1-18 примера 1, как будет пояснено ниже. Хотя традиционный активный материал отрицательного электрода на основе Sn и активный материал отрицательного электрода на основе полиметаллического сплава по патентному документу 1 имеют высокую емкость, но плохую циклическую долговечность вследствие компромиссного соотношения между емкостью и циклической долговечностью, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает более высокого уровня циклической долговечности, чем у этих традиционных активных материалов отрицательного электрода.

[0040] В активном материале отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации является более предпочтительным, чтобы значения x, y и z в формуле состава Si_xC_yAl_z удовлетворяли следующим условиям:

x+y+z=100

41≤x≤71

3≤y≤29

10≤z≤56.

Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает более превосходных характеристик, когда соотношение высокоемкого элемента Si, первого добавочного элемента C и второго добавочного элемента Al в составе попадает в вышеуказанный конкретный диапазон. Более конкретно, когда соотношение компонентов в составе сплава Si-C-Al попадает в диапазон, обведенный сплошной жирной линией (внутрь шестиугольника) на ФИГ. 7, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает очень высокой емкости, которая вряд ли может достигаться традиционным активным материалом отрицательного электрода на основе углерода. Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода также достигает более высокой емкости, например более высокой начальной емкости (1133 мА·ч/г или выше), и более высокой эффективности начального заряда/разряда (94% или выше), чем у традиционного активного материала отрицательного электрода из сплава на основе Sn. Хотя традиционный активный материал отрицательного электрода на основе Sn и активный материал отрицательного электрода на основе полиметаллического сплава по патентному документу 1 имеют высокую емкость, но плохую циклическую долговечность вследствие компромиссного соотношения между емкостью и циклической долговечностью, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает гораздо более высокого уровня циклической долговечности, чем у этих традиционных активных материалов отрицательного электрода. Например, содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода демонстрирует высокую сохранность разрядной емкости 64% или выше в 50-м цикле. Этот диапазон состава (внутри шестиугольника, обведенного сплошной жирной линией на ФИГ. 7) соответствует тому диапазону, где были фактически реализованы высокая емкость, например высокая начальная емкость, высокая эффективность заряда/разряда и высокая циклическая долговечность с хорошим балансом среди образцов 1-18 примера 1. Выбор такого диапазона состава обеспечивает содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода с высокими рабочими характеристиками (см. ТАБЛ. 1 и ФИГ. 3, 4 и 7).

[0041] В активном материале отрицательного электрода согласно настоящему варианту реализации является еще более предпочтительным, чтобы значения x, y и z в формуле состава Si_xC_yAl_z удовлетворяли следующим условиям:

x+y+z=100

41≤x≤71

3≤y≤29

15≤z≤56.

Содержащий сплав Si активный материал отрицательного электрода достигает еще более превосходных характеристик, когда соотношение высокоемкого элемента Si, первого добавочного элемента C и второго добавочного элемента Al в составе попадает в вышеуказанный конкретный диапазон. Более конкретно, когда соотношение компонентов в составе сплава Si-C-Al попадает в диапазон, обведенный сплошной жирной линией (внутрь малого шестиугольника)