負極活性物質、其制備方法以及包含它的可再充電鋰電池的制作方法
【專利說明】負極活性物質、其制備方法以及包含它的可再充電鋰電池
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年12月12日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請10-的優先權和權益，其全部內容通過引用合并于此。
技術領域
[0003]公開了用于可再充電鋰電池的負極活性物質、其制備方法及包括它的可再充電鋰電池。
【背景技術】
[0004]可再充電鋰電池作為操作電子裝置的能源已經受到關注。可在充電鋰電池主要用石墨作為負極材料，但是石墨具有每質量單位約372mAh/g的小容量，因而很難達到可再充鋰電池的高容量。
[0005]實現比石墨更高容量的負極材料可包含鋰和金屬的化合物形成的材料，所述金屬例如，硅、錫、它們的氧化物等。具體地，如硅等的金屬可實現電池的高容量并縮小電池的大小。
[0006]然而，當這些材料在鋰被吸收或存儲時產生晶體結構變化，從而產生體積膨脹的問題。硅產生等于膨脹前硅體積的約4.12倍的體積膨脹。因此，硅具有使電池循環壽命急劇劣化的問題。
[0007]因此，已經積極做出了解決這些碳基和非碳基負極活性物質的問題的研究。

【發明內容】

[0008]本發明的一個實施方式提供了用于可再充電鋰電池的負極活性物質、所述負極活性物質的制備方法及包括所述負極活性物質的可再充電鋰電池。所述負極活性物質具有增加的鋰離子存儲能力、優異的電導率，并且可實現穩定的循環和高功率特性。
[0009]本發明的一個實施方式中，用于可再充電鋰電池的負極活性物質包括含有能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料的核和位于所述核表面的殼，其中所述殼包括摻雜銻的氧化錫。
[0010]所述摻雜銻的氧化錫可被碳涂布。所述摻雜銻的氧化錫可不被碳涂布。
[0011]所述殼可進一步包括碳。具體地，所述殼可進一步包括非晶碳。
[0012]所述殼可包括含有所述摻雜鋪的氧化錫的第一殼和含有碳的第二殼。
[0013]所述殼可具有約1nm至約500nm的厚度。
[0014]基于所述負極活性物質的總量，所述殼的含量可為約5wt%至約25wt%。
[0015]所述能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料可包括碳基材料、合金類材料、金屬氧化物類材料、或它們的組合。
[0016]所述能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料的實例可包括天然石墨、人造石墨、軟碳、硬碳、碳纖維、碳納米管、碳納米纖維、石墨烯或它們的組合。
[0017]作為另一個實例，所述能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料可為選自硅、錫、鍺、銻、鉍或它們的組合的金屬的合金或氧化物。
[0018]本發明的另一個實施方式中，制備用于可再充電鋰電池的負極活性物質的方法包括:制備能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料；制備包括摻雜銻的氧化錫的殼組合物；將所述能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料和所述殼組合物加入溶劑中以獲得混合物；和熱處理所述混合物。
[0019]所述制備能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料的方法可進一步包括活化所述能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料的表面。
[0020]所述制備包括摻雜銻的氧化錫的殼組合物的方法可進一步包括使用碳涂布所述摻雜銻的氧化錫。
[0021]所述殼組合物可包括所述摻雜銻的氧化錫和碳前驅體。
[0022]所述碳前驅體可為，例如，蔗糖、檸檬酸、葡萄糖、瓊脂糖、多糖、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇或它們的組合。
[0023]基于所述用于可再充電鋰電池的負極活性物質的總量，所述殼組合物的用量可在約5wt %至約25wt %的范圍內。
[0024]所述溶劑可包括水、醇(alcohol)、丙酮、四氫呋喃、環己烷、四氯化碳、氯仿、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亞砜、N-甲基吡咯烷酮或它們的組合。
[0025]所述熱處理可在約400°C至約700°C的溫度下進行。
[0026]所述熱處理可進行約I小時至約6小時。
[0027]所述熱處理可在還原氣氛下進行，換句話說，所述熱處理可在惰性氣氛下進行。
[0028]本發明的又一個實施方式提供了可再充電電池，所述可再充電電池包括:包括負極活性物質的負極；正極；和電解液。
[0029]根據一個實施方式的負極活性物質顯示出增加的鋰離子存儲能力和優異的電導率。包括所述負極活性物質的可再充電鋰電池可顯示出高容量、高功率、高倍率性能、以及穩定的循環特性。
【附圖說明】
[0030]圖1為簡要顯示根據實施例1制備負極活性物質的方法的圖。
[0031]圖2為顯示根據實施例1和2的負極活性物質的表面的掃描電子顯微鏡照片。
[0032]圖3為顯示根據實施例1和2的負極活性物質的X射線衍射分析圖。
[0033]圖4為顯示根據實施例3和4的負極活性物質的表面的掃描電子顯微鏡照片。
[0034]圖5為顯示根據實施例3和4的負極活性物質的X射線衍射分析圖。
[0035]圖6為顯示根據實施例5和6的負極活性物質的表面的掃描電子顯微鏡照片。
[0036]圖7為顯示根據實施例5和6的負極活性物質的X射線衍射分析圖.
[0037]圖8為顯示根據對比例I和實施例1至3的電壓隨電池單元的循環容量變化的圖。
[0038]圖9為顯示根據對比例I和實施例1至3的電池單元的容量保留的圖。
[0039]圖10為顯示根據對比例2和實施例5的電壓隨電池單元的第一循環容量變化的圖。
[0040]圖11為顯示根據對比例2和實施例5的電池單元的容量保留的圖。
[0041]圖12為顯示根據對比例I和實施例1至3的電池單元的倍率充電和放電循環壽命特性的圖。
【具體實施方式】
[0042]下文，詳細說明了本發明的實施方式。然而，這些實施方式僅為示例性，并且本公開不限于此。
[0043]在本發明的一個實施方式中，用于可再充電鋰電池的負極活性物質包括含有能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料的核、位于所述核表面的殼，其中所述殼包括摻雜銻的氧化錫(ATO)。
[0044]換句話說，一個實施方式提供了被ATO表面修飾的負極活性物質。
[0045]所述ATO與鋰發生可逆反應因此貢獻鋰離子存儲能力，且還具有優異的電導率，并且當所述ATO被引入到負極活性物質的表面上時，所述負極活性物質可顯示出增加的鋰離子存儲能力并且實現優異的循環壽命特性、高功率特性、高倍率性能等。
[0046]所述負極活性物質可彌補碳基負極活性物質的低容量和低倍率性能以及非碳基負極活性物質的低電導率，并因而滿足高功率特性。
[0047]所述負極活性物質可具有除了 ATO外進一步包括碳的殼。所述殼可包括各種形式的碳。
[0048]例如，所述摻雜銻的氧化錫可被碳涂布。換句話說，所述殼可包括被碳涂布的ΑΤ0。作為另一個實例，所述殼可具有其中ATO與碳混合的結構。被包括在所述殼中的碳可具體為非晶碳。
[0049]除此以外，所述殼可包括含有ATO的第一殼和含有碳的第二殼。
[0050]當所述殼進一步包括碳時，負極活性物質的電導率增加，從而改善電池的循環壽命以及充電和放電特性。
[0051]所述殼可具有約1nm至約500nm的厚度，具體地，約1nm至約400nm,約1nm至約300nm,約50nm至500nm,或者約10nm至約500nm。在這種情況下，負極活性物質可顯示出高容量、高功率特性和優異的循環特性。
[0052]基于負極活性物質的總量，所述殼的含量可為約5wt%至約25￥丨％的，具體地，約5wt%至約20wt%,或約10wt%至約25wt%。在這種情況下，負極活性物質可顯示出高容量、高功率特性和優異的循環特性。
[0053]所述能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料可包括通常被用作用于可充電鋰電池的負極活性物質的任何材料。
[0054]具體地，所述含有能夠嵌入和脫嵌鋰離子的材料可為碳基材料或非碳基材料。
[0055]所述碳基材料可為，例如，天然石墨、人造石墨、軟碳、硬碳、碳纖維、碳納米管、碳納米纖維、石墨烯或它們的組合。
[0056]所述非碳基材料可為合