的体积变化。
[0076]图22说明根据其它实施方式的另一示例的具有不规则形状的核壳型复合材料的设计。如所示的，复合材料2200在组成上等同于图1的设计，并且包括活性材料102、可收缩的核104和壳106。然而，其是不规则形状的，以证明其它图中说明的各种复合材料的常规球形状不是必要的，并且考虑到了其它形状、甚至不规则的形状。
[0077]图23说明根据某些实施方式的由聚集的核壳型复合材料形成的电极组合物。如所示的，类似于以上论述的各种设计方面，聚集体2300的各复合材料包括活性材料粒子1802、可收缩的核104和多孔壳1006。在该设计中，选择用于可收缩的核104和多孔壳1006的多孔材料以使二者相同。因此，如图中所证明的，引入此类要素的设计有效地模糊了核与壳之间的差别，产生等同于本身没有壳形成的复合材料的聚集体的结构(即，通过提供体积变化的等效适应，一个复合材料的核充当聚集体中另一复合材料的壳)。在此同样考虑到了此类设计。
[0078]图24-25说明根据其它实施方式的又一示例复合材料的设计。图24说明包括包裹在壳2406中的示例多孔活性材料粉末结构2402的设计2400，但其中通过活性材料本身的多孔属性而不是可收缩的核来适应体积变化。图25说明包括类似的示例多孔活性材料粉末结构2402的、但具有设置作为保形被覆层的壳2506的设计2500。
[0079]通常，注意到，可合成约50nm至约50 μ m尺寸的在此论述的该类复合材料粒子。可设计核和壳，以在厚度或直径上从约Inm变化至约20 μ m。由于性质从粒子至粒子保持一致，因而具有相对均匀的复合材料的尺寸分布的电极设计会是有益的。然而，对于其它实施方式，创建两个、三个或多个均匀的直径的结构，并将它们混合到一起以能够使得在电极制造时的高堆积密度，会是有利的。因为这些复合材料的外表面的尺寸在循环期间变化非常小(就算有的话)，粒子-至-粒子的连接可用强或弱的粘结剂保持完整。
[0080]复合材料尺寸由许多因素驱动。特别是，添加剂CVD工艺倾向于将相邻的粒子粘合到一起，形成大的聚集体。这在大批粉末加工中尤其是真的。在通过整个粉末体积量的翻滚搅动、复合材料在流体流中的夹带、滴下复合材料以保持它们之间的分离、振荡搅拌、研磨、静电充电或其它手段的任何组合，在全部合成工艺中于大批粉末加工期间，可减轻相邻复合材料的聚集。复合材料粒子尺寸还可以通过在合成后使用研磨技术减小其尺寸来控制。
[0081]图26A-26E提供显示特定示例实施方式中各种相形成的实验图像，包括(a)聚合的核前体粒子(氧化的聚二苯乙烯类)(图26A) ; (b)碳化的核粒子(图26B) ; (c)活化的核粒子(图26C) ;(d)硅沉积在活性碳上的核粒子(图26D);和(e)碳壳沉积在活性碳的硅上的核粒子(图26E)。应该理解，在此显示的示例设计仅用于说明目的，不意图表示唯一或最佳的实施方案。
[0082]图27提供含有高表面积的硅纳米粒子的示例负极复合材料的电化学性能数据。放电容量显示为循环数和在新的未将其暴露至空气的硅表面上沉积的保护碳层是否存在的函数。保护层对可逆容量的积极影响是明显的。在没有保护被覆层的情况下，超过60%的硅原子变成氧化的，这导致容量利用的显著降低。
[0083]图28说明示例电池(例如，L1-离子)，其中可根据各种实施方式应用在此描述的组件、材料、方法和其它技术或它们的组合。在此示出圆柱形电池是用于说明目的，但是如所期望的，也可以使用其它类型的配置，包括棱形或袋形(层压体型)电池。示例电池2801 包括负极(negative anode) 2802、正极(positive cathode) 2803、插入负极 2802 和正极2803之间的间隔件(separator) 2804、浸渍间隔件2804的电解液(未示出)、电池外壳2805和将电池外壳2805密封的密封构件2806。
[0084]提供前面的描述以使任何本领域技术人员能够进行或使用本发明的实施方式。然而，应该理解，本发明不限于在此公开的特定的配方、过程步骤和材料，因为对这些实施方式的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的。即，在不背离本发明的精神或范围的情况下，在此限定的通用原则可以应用于其它实施方式。
【主权项】
1.一种电池电极组合物，其包含核壳型复合材料，各所述复合材料包含: 为了在电池运行期间储存和释放金属离子而设置的活性材料，由此所述金属离子的储存和释放导致所述活性材料的体积实质性变化； 为了适应所述体积变化而与所述活性材料组合设置的可收缩的核；和至少部分地包裹所述活性材料和所述核的壳，所述壳是由对被所述活性材料储存和释放的金属离子实质上可透过的材料形成的。
2.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述可收缩的核是由通过多个开孔或闭孔来吸收所述体积变化的多孔材料形成的。
3.根据权利要求2所述的电池电极组合物，其中所述核的多孔材料包含多孔的导电性碳材料。
4.根据权利要求2所述的电池电极组合物，其中所述活性材料至少部分地包裹所述核的多孔材料。
5.根据权利要求2所述的电池电极组合物，其中所述活性材料中散布有所述核的多孔材料。
6.根据权利要求2所述的电池电极组合物，其中所述多孔材料包含由一个或多个曲线形或曲面形骨架形成的多孔基材。
7.根据权利要求6所述的电池电极组合物，其中所述多孔材料进一步包含散布有所述多孔基材的多孔填料。
8.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述可收缩的核包含被所述活性材料包裹的中央空隙。
9.根据权利要求8所述的电池电极组合物，其中所述中央空隙直接接触所述活性材料。
10.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述壳包含至少部分地包裹所述活性材料和所述核以防止所述活性材料氧化的保护被覆层。
11.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述壳包含至少部分地包裹所述活性材料和所述核的多孔被覆层，所述多孔被覆层具有多个开孔或闭孔以进一步适应体积的变化。
12.根据权利要求11所述的电池电极组合物，其中所述多孔被覆层中的至少一些孔是填充有第一功能性填充材料的闭孔。
13.根据权利要求12所述的电池电极组合物，其中所述多孔被覆层中的至少一些其它孔是填充有第二功能性填充材料的闭孔。
14.根据权利要求11所述的电池电极组合物，其中所述多孔被覆层中的至少一些孔是贯通所述多孔被覆层且由功能性填充材料填充的开孔。
15.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述壳为包含内层和外层的复合材料。
16.根据权利要求15所述的电池电极组合物，其中所述内层为保护被覆层或多孔被覆层的一种，并且其中所述外层为所述保护被覆层或所述多孔被覆层中的另一种。
17.根据权利要求16所述的电池电极组合物，其中所述内层为所述保护被覆层且所述外层为所述多孔被覆层，和其中所述复合材料进一步包含附加被覆层，所述附加被覆层至少部分地包裹其它层且是由(i)实质上导电的和(ii)对电解液溶剂分子基本上不透过的材料形成的。
18.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述活性材料包含围绕所述可收缩的核设置的离散粒子，或散布在所述可收缩的核中的离散粒子。
19.根据权利要求18所述的电池电极组合物，其中所述粒子被覆有保护被覆层以防止所述活性材料氧化。
20.根据权利要求1所述的电池电极组合物，其中所述活性材料适形地被覆在所述可收缩的核上。
【专利摘要】提供电池电极组合物，其包含核壳型复合材料。各复合材料可包含，例如，活性材料、可收缩的核和壳。可提供活性材料以在电池运行期间储存和释放金属离子，由此所述金属离子的储存和释放导致所述活性材料的体积实质性变化。所述可收缩的核可与所述活性材料组合设置，以适应体积的变化。所述壳可至少部分地包裹所述活性材料和所述核，所述壳是由对所述活性材料储存和释放的金属离子实质上可透过的材料形成的。
【IPC分类】H01M4-13
【公开号】CN104521036
【申请号】CN201380042365
【发明人】格列布·有信, 波格丹·翟迪尔康, 亚历山大·雅各布斯, 埃里克·汉特苏, 阿狄森·谢尔顿, 尤金·别尔季切夫斯基
【申请人】斯拉纳米技术有限公司
【公开日】2015年4月15日
【申请日】2013年6月18日
【公告号】EP2862220A1, US20130344391, WO2013192205A1