復合負極活性物質、包括其的鋰電池、及其制備方法技術

復合負極活性物質包括：包括結晶碳質材料的芯部分；包括沉積在所述芯部分的至少一部分上的多個復合顆粒的殼部分，其中所述復合顆粒各自包括：與鋰能合金化的金屬芯；和在所述金屬芯的表面上的呈島圖案的包括金屬氮化物的包覆層。還提供包括所述復合負極活性物質的鋰電池和制備所述復合負極活性物質的方法。

Composite negative electrode active material, lithium battery including the same, and preparation method thereof

Composite anode active material includes a core part of the crystallization of carbonaceous materials; including deposition in the core part of at least a portion of the plurality of composite particles shell, wherein the composite particles each comprising: with lithium metal core alloying; including metal nitride layer and coated on the surface of the metal the core was the island pattern. A lithium battery including the composite negative electrode active material and a method for preparing the composite negative electrode active material are also provided.

【技術實現步驟摘要】
復合負極活性物質、包括其的鋰電池、及其制備方法對相關申請的交叉引用本申請要求在韓國知識產權局于2015年9月18日提交的韓國專利申請No.10-2015-0132602的優先權和權益，其全部內容通過參考引入本文中。
本公開內容的實施方式的一個或多個方面涉及復合負極活性物質、包括其的鋰電池、和制備所述復合負極活性物質的方法。
技術介紹
對于用于在信息通信的便攜式電子裝置、電動自行車、電動車、和/或類似物中使用的二次電池的需求正在快速增加。這樣的便攜式電子裝置的實例包括個人數字助理(PDA)、移動電話、和筆記本電腦。鋰電池且特別是鋰離子電池(LIB)由于它們的高的能量密度和容易制造而作為電源用在便攜式信息技術(IT)裝置中和電動車中以及用于電力存儲。LIB的所需性質包括高的能量密度和/或長的壽命。碳質材料如石墨常常在鋰電池中用作負極活性物質。然而，碳質材料如石墨在高容量鋰電池中的使用受其約360mAh/g的理論放電容量限制。鋰能合金化的金屬材料如Si或Sn作為石墨的負極材料替代物正在吸引注意。Si具有約4,200mAh/g的理論容量。然而，當單獨使用Si時，在充電和放電期間可發生約300％或更多的體積膨脹，導致負極集流體和活性物質之間的弱的粘附、連同在容量方面的降低。為了克服該容量降低，代替單獨使用鋰能合金化的金屬材料如Si或/和Sn，將鋰能合金化的金屬材料與碳質負極活性物質和/或堿金屬材料混合以抵償所述負極活性物質。然而，即使當使用這些負極活性物質時，容量、壽命特性、和初始效率特性的改善也常常是可忽略的。因此，存在開發具有進一步改善的初始效率、充電和放電容量、和壽命特性的負極活性物質、以及包括所述負極活性物質的鋰電池、和制備所述負極活性物質的方法的需要。本背景部分中公開的以上信息僅被包括用于增強本公開內容的背景的理解，且因此可包含不形成對于本領域普通技術人員而言在本國已經知曉的現有技術的信息。
技術實現思路
本公開內容的一個或多個實例實施方式的方面涉及具有改善的初始效率、充電和放電容量、和壽命特性的復合負極活性物質。本公開內容的一個或多個實例實施方式的方面涉及包括所述復合負極活性物質的鋰電池。本公開內容的一個或多個實例實施方式的方面涉及制備所述復合負極活性物質的方法。額外的方面將部分地在隨后的描述中闡明，并且部分地將從所述描述明晰，或者可通過所提供的實施方式的實踐獲悉。根據一個或多個實例實施方式，復合負極活性物質包括：包括結晶碳質材料的芯部分；和包括所述芯部分的至少一部分上的多個復合顆粒的殼部分，所述復合顆粒各自包括與鋰能合金化的金屬芯和在所述金屬芯的表面上的呈島圖案的包括金屬氮化物的包覆層。根據一個或多個實例實施方式，鋰電池包括：包括正極活性物質的正極；包括所述復合負極活性物質的負極；以及在所述正極和所述負極之間的電解質。根據一個或多個實例實施方式，制備復合負極活性物質的方法包括：制備多個復合顆粒；將所述復合顆粒和結晶碳質材料芯部分混合以獲得混合物；和干燥所述混合物以使所述復合顆粒沉積在所述結晶碳質材料芯部分的至少一部分上以形成殼部分，其中所述復合顆粒各自包括與鋰能合金化的金屬芯、和在所述金屬芯的表面上的呈島圖案的包括金屬氮化物的包覆層。附圖說明由結合附圖考慮的實例實施方式的以下描述，這些和/或其它方面將變得明晰和更容易理解，其中：圖1為根據實例實施方式的復合負極活性物質的示意圖；圖2A為根據實例實施方式的復合負極活性物質的示意圖，且圖2B為圖2A中所示的殼部分的放大示意圖；圖3A為根據實例實施方式的復合負極活性物質的示意圖；圖3B為根據實例實施方式的復合負極活性物質的示意圖；圖4A和4B分別顯示根據實施例2制備的復合負極活性物質在2,000x和5,000x放大倍率下的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；圖5顯示根據實施例3制備的復合負極活性物質的碳質芯部分在5,000x放大倍率下的SEM照片；圖6A顯示實施例2的復合負極活性物質的高角度環形暗場-掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)照片；圖6B至6D分別顯示在圖6A的方形區域中的氮、硅、和鈦元素的元素分布面掃描照片；圖7A說明根據實施例9和對比例7制造的鋰電池的最高達第80次循環的容量保持率的圖；圖7B說明根據實施例10和對比例8制造的鋰電池的最高達第14次循環的容量保持率的圖；圖7C說明根據實施例9和實施例12制造的鋰電池的最高達第50次循環的容量保持率的圖；和圖8說明根據實例實施方式的鋰電池的分解透視圖。具體實施方式現在將更詳細地對實例實施方式進行介紹，其實例說明于附圖中。在附圖中，相同的附圖標記始終指的是相同的元件，且將不提供其重復描述。在這點上，本實例實施方式可具有不同的形式且不應被解釋為限于本文中闡明的描述。因此，下面僅通過參照附圖描述實例實施方式，以說明本描述的方面。如本文中使用的，術語“和/或”包括相關列舉項目的一個或多個的任意和全部組合。表述如“的至少一個(種)”、“之一”、“選自……的至少一個(種)”和選自……的一個(種)”，當在要素列表之前或之后時，修飾整個要素列表且不修飾所述列表的單獨要素。在附圖中，為了清楚，可放大層、膜、面板、區域等的厚度。將理解，當一個元件如層、膜、區域、或基底被稱作“在”另外的元件“上”時，其可直接在所述另外的元件上或者還可存在中間元件。相反，當一個元件被稱為“直接在”另外的元件“上”時，不存在中間元件。下面將各自描述根據本公開內容的實例實施方式的復合負極活性物質、包括所述復合負極活性物質的鋰電池、和制備所述復合負極活性物質的方法。然而，這些描述在本文中僅作為實例提供，且不限制本公開內容的范圍。本文中的術語“金屬”是指包括金屬和半金屬的廣義概念。本公開內容的實施方式的方面提供復合負極活性物質，其包括：包括結晶碳質材料的芯部分；和包括所述芯部分的至少一部分上的多個復合顆粒的殼部分，所述復合顆粒各自包括與鋰能合金化的金屬芯和在所述金屬芯的表面上的呈島圖案的包括金屬氮化物的包覆層。圖1為根據實例實施方式的復合負極活性物質10的示意圖。根據本公開內容的實施方式的復合負極活性物質10包括結晶碳質材料芯部分1和總體殼部分3，總體殼部分3包括沉積在結晶碳質材料芯部分1上的多個復合顆粒2。復合負極活性物質10可被視為包括芯部分、中間部分、和包覆部分。芯部分可對應于復合物的包括結晶碳質材料1的部分，中間部分可對應于在總體殼部分3內的復合顆粒2各自的芯，且包覆部分可對應于在總體殼部分3內的復合顆粒2各自上的包覆層。更詳細地，芯部分可對應于結晶碳質材料，中間部分可對應于與鋰能合金化的金屬芯，且包覆層可對應于包括金屬氮化物的包覆層。包括結晶碳質材料的芯部分可形成復合負極活性物質的骨架，且可充當導電通道。中間部分即與鋰能合金化的金屬芯可保持(保住，retain)電池容量的大部分。包覆部分即包括金屬氮化物的包覆層可抑制中間部分(例如，與鋰能合金化的金屬芯)的過度體積膨脹、和與電解質的副反應，由此導致壽命特性的改善。在中間部分(例如，與鋰能合金化的金屬芯)的表面上，包括金屬氮化物的包覆層可以島圖案形成。如本文中使用的，術語“島圖案”指的是其中材料的島以設定的(例如預定的)間隔以實質上不連續的方式布置的結構。當包括金屬氮化物的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
復合負極活性物質，包括：包括結晶碳質材料的芯部分；和包括在所述芯部分的至少一部分上的多個復合顆粒的殼部分，其中所述復合顆粒各自包括：與鋰能合金化的金屬芯；和在所述金屬芯的表面上的包括金屬氮化物的包覆層。

【技術特征摘要】
2015.09.18 KR 10-2015-01326021.復合負極活性物質，包括：包括結晶碳質材料的芯部分；和包括在所述芯部分的至少一部分上的多個復合顆粒的殼部分，其中所述復合顆粒各自包括：與鋰能合金化的金屬芯；和在所述金屬芯的表面上的包括金屬氮化物的包覆層。2.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述包覆層包括在所述金屬芯的表面上的呈島圖案的金屬氮化物。3.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述金屬芯是球形的或橢圓形的。4.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述金屬芯的平均粒徑在1μm-10μm的范圍內。5.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述金屬芯包括選自如下的至少一種：硅、錫、鍺、銻、鋁、鉛、鎵、銦、鎘、銀、汞、和鋅。6.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中基于100重量份的所述復合顆粒，所述金屬芯的量在10重量份-60重量份的范圍內。7.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述金屬氮化物包括選自如下的至少一種氮化物：鈦、釩、鈧、鉻、錳、鐵、鎳、鈷、釔、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鉭、鈀、鎢、鋨、銥、金、和鉑。8.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述芯部分包括選自如下的至少一種結晶碳質材料：人造石墨、天然石墨、碳纖維、和中間相碳微球(MCMB)。9.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述芯部分在所述結晶碳質材料中具有多個孔。10.如權利要求8所述的復合負極活性物質，其中所述復合顆粒在所述孔的至少一個中。11.如權利要求1所述的復合負極活性物質，其中所述復合負極活性物質中的所述包括結晶碳質材料的芯部分對所述復合顆粒的重量比在60:40-80:20的范圍內。12.如權利要求1所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭枝硯，金英旭，崔希瑄，金然甲，
申請(專利權)人：三星SDI株式會社，
類型：發明
國別省市：韓國,KR