负极活性物质、负极、锂电池和制造负极活性物质的方法
【专利说明】负极活性物质、负极、裡电池和制造负极活性物质的方法
[0001] 本申请要求于2014年1月27日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0009937号 韩国专利申请的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用包含于此。
技术领域
[0002] 本发明的一个或更多个实施例设及负极活性物质、负极、包括负极活性物质的裡 电池和制造负极活性物质的方法。
【背景技术】
[0003] 裡二次电池通过当裡离子嵌入到正极和负极（均包括能够使裡离子嵌入和脱嵌 的活性物质）中并从正极和负极脱嵌时发生的氧化和还原反应来产生电能，其中，例如，有 机电解质溶液或聚合物电解质溶液在正极和负极之间。
[0004] 例如，在用于裡二次电池的负极活性物质中，可W使用能够使裡离子嵌入或脱嵌 的诸如人造石墨、天然石墨和硬碳的碳质物质W及诸如Si和Sn的非碳质物质。
[0005] 诸如Si和Sn的非碳质物质可W具有高容量，例如，其容量是石墨的容量的大约10 倍。然而，由于在充电和放电过程中的体积膨胀，容量会劣化。尽管先前对各种合金和复合 物进行了研究，但是仍期望用于电池的改善的负极活性物质。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例的多个方面设及一种负极活性物质，所述负极活性物质能够改善 包括所述负极活性物质的裡电池的放电容量和寿命特性。
[0007] 实施例的多个方面设及包括所述负极活性物质的负极。
[000引实施例的多个方面设及包括所述负极的裡电池。
[0009] 实施例的多个方面设及制造所述负极活性物质的方法。
[0010] 本发明的实施例的附加方面将部分地在下面的描述中进行说明，并部分地根据描 述将是明显的。
[0011] 在实施例中，一种负极活性物质包括娃基合金，所述娃基合金包括Si、Ti、Ni和化 组分，其中，所述娃基合金包括：非活性基质，包括Ti,Ni相；W及活性娃纳米颗粒，分散在 非活性基质中。
[0012] 在一个实施例中，基于化组分在娃基合金中的原子分数，娃基合金中的化组分的 量为大约7at%至大约lOat%。
[0013] 在一个实施例中，基于娃基合金中的每种组分相应的原子分数，娃基合金包括大 约50at%至大约70at%的Si组分、大约7at%至大约lOat%的化组分且Ti的at%和Ni 的at%各占平衡量的一半。
[0014] 在一个实施例中，非活性基质还包括SisTi化相和NiSis相。
[0015] 在一个实施例中，Si组分包括非活性娃和活性娃；非活性基质包括非活性娃；活 性娃纳米颗粒包括活性娃。
[0016] 在一个实施例中，基于活性娃纳米颗粒在娃基合金中的原子分数，娃基合金中的 活性娃纳米颗粒的含量为36at%或更小。
[0017] 在一个实施例中，基于活性娃纳米颗粒在娃基合金中的原子分数，娃基合金中的 活性娃纳米颗粒的含量大于20at%且小于等于36at%。
[0018] 在一个实施例中，活性娃纳米颗粒具有大约lOnm至大约200nm的颗粒直径。
[0019] 在一个实施例中，娃基合金具有大约0. 3ym至大约10ym的平均颗粒直径值50)。
[0020] 在另一实施例中，一种负极活性物质包括娃基合金，所述娃基合金包括Si、Ti、Ni 和化组分，其中，所述娃基合金包括非活性基质和分散在非活性基质中的活性娃纳米颗 粒。基于活性娃纳米颗粒在娃基合金中的原子分数，娃基合金中的活性娃纳米颗粒的量为 大于20at%且小于等于36at%，基于化组分在娃基合金中的原子分数，化组分的量为大 约7at%至大约lOat%。
[0021] 在一个实施例中，基于娃基合金中的每种组分相应的原子分数，娃基合金包括大 约50at%至大约70at%的Si组分、大约7at%至大约lOat%的化组分且Ti的at%和Ni 的at%各占平衡量的一半。
[002引在一个实施例中，非活性基质包括SisTi化相、TisNi相和NiSis相。
[0023] 在一个实施例中，活性娃纳米颗粒具有大约lOnm至大约200nm的颗粒直径。
[0024] 在一个实施例中，娃基合金具有大约0. 3ym至大约10ym的平均颗粒直径值50)。
[0025] 在另一实施例中，一种负极包括所述负极活性物质。
[0026] 在另一实施例中，一种裡电池包括所述负极。
[0027] 在另一实施例中，一种制造负极活性物质的方法包括；制备母合金W制备娃基合 金，其中，基于的lOOat%的Si、Fe、Ti和Ni的总原子分数，所述母合金包括大约50at%至 大约70at%的Si、大约7at%至大约lOat%的化且Ti的at%和Ni的at%各占平衡量的 一半；将母合金的烙体快速地凝固W获得快速凝固的合金；W及粉碎快速凝固的合金。
[002引在一个实施例中，通过利用烙体快泽、气体雾化或带铸来执行将母合金的烙体快 速地凝固的步骤。
[0029] 在一个实施例中，将母合金的烙体快速地凝固的步骤包括W大约103K/秒至大约 1〇7k/秒的速率将母合金的烙体泽火。
[0030] 在一个实施例中，将快速凝固的合金粉碎成具有大约0. 3ym至大约10ym的D50 的粉末。
【附图说明】
[0031] 附图与说明书一起示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原 理。
[0032] 图1是根据实施例的裡电池的剖面的示意图。
[0033] 图2是示出根据对比示例1制备的娃基合金粉末的XRD分析结果的曲线图。
[0034] 图3是示出根据示例1制备的娃基合金粉末的XRD分析结果的曲线图。
[0035] 图4是示出根据示例2制备的娃基合金粉末的XRD分析结果的曲线图。
[0036] 图5是示出根据示例3制备的娃基合金粉末的X畑分析结果的曲线图。
[0037] 图6是示出根据对比示例1和示例1至3制备的硬币电池的初始充电和放电曲线 的曲线图。
[003引图7是示出根据对比示例1和示例1至3制备的硬币电池的每个循环的电荷保持 率的曲线图。
【具体实施方式】
[0039] 在下面的详细描述中，通过说明的方式仅示出并描述本发明的特定实施例。如本 领域技术人员将认识到的，本发明可许多不同的形式来实施，且不应当被解释为局限 于该里阐述的实施例。另外，在本申请的上下文中，当第一元件被称作"在"第二元件"上" 时，第一元件可W直接在第二元件上，或者间接在第二元件上而使一个或更多个中间元件 置于第一元件和第二元件之间。此外，当描述本发明的实施例时，"可W(可）"的使用是 指"本发明的一个或更多个实施例"。当诸如"…中的至少一个（种）"的表述在一系列元 件（要素）之后时，修饰整个系列的元件（要素），而不是修饰系列中的个别元件（要素）。 同样的附图标记在整个说明书中指示同样的元件。
[0040] 根据实施例的负极活性物质包括娃基合金，所述娃基合金包括作为组分的Si和 Ti、Ni和/或化。在实施例中，娃基合金包括具有化化相的非活性基质和分散在非活性 基质中的活性娃纳米颗粒。
[0041] 娃基合金可W为包括Si、Ti、Ni和Fe的四元合金。根据实施例，非活性基质可W 包括具有SisTi化相、TisNi相和NiSis相的合金。
[0042] 根据实施例，包括在娃基合金中的Si组分包括非活性娃和活性娃。在实施例中， 活性娃的量可W与娃基合金的容量有关，因为活性娃参与与裡离子的可逆反应。在实施例 中，非活性娃形成不参与与裡离子的反应的非活性基质。在一些实施例中，非活性基质抑制 和/或减小娃基合金的体积膨胀。活性娃可W分散在非活性基质中。例如，活性娃可W作 为析出的纳米颗粒遍及非活性基质分散。因此，在根据一些实施例的娃基合金中，非活性基 质包括非活性娃，活性娃纳米颗粒包括活性娃。
[0043] 根据实施例，在娃基合金中，包括活性娃的活性娃纳米颗粒的含量可W为36at% 或更少（即，基于其在娃基合金中的原子分数所计算的36at%或更少）。根据实施例，活性 娃纳米颗粒的含量小于在典型的娃基合金中包含的活性娃的含量。尽管使用较小含量的活 性娃，但是几乎全部的活性娃都可W用于与Li的可逆反应。因此，可W改善放电容量和寿 命特性。
[0044] 通常，随着活性娃的含量增大，放电容量增大。然而，当活性娃的含量相对于非活 性娃大于特定量时，基本与放电容量无关的活性娃的比例增大。因为根据本发明的实施例 的负极活性物质除了Si、Ti和Ni组分之外还包括化组分，所W基本与放电容量无关的娃 形成为非活性基质中的娃化物的形式，即，NiSis的形式。因此，尽管活性娃的含量小于典型 的娃基合金中包含的活性娃的含量，但是仍可W相对于典型的娃基合金改善放电容量。另 夕F，当不参与与Li的可逆反应的娃形成为娃化物时，可W防止与电解质的副反应，因此可 W改善非活性基质的强度。
[0045] 根据实施例，娃基合金中的活性娃纳米颗粒的含量可W大于20at%且为36at% 或更小。在该个范围内，包括娃基合金的裡电池可W具有改善的放电容量和寿命特性。
[0046] 然而，过量的娃化物会减小活性娃的含量，因此期望的放电容量会减小。因此，根 据一些实施例，TisNi相抑制过量的娃化物的形成，使得NiSis相可WW适合于减少因过量 娃化物的形成而导致的放电容量的任何损失的量形成。随着Ti,Ni相的含量在非活性基质 中增大，SisTi化相和NiSis相的含量减小，因此活性娃纳米颗粒的含量可增加。
[0047] 在该方面，可W通过调节化组分的含量来控制TisNi相的含量。根据实施例，当 化组分的含量增大时，SisTi化相的含量增大，TisNi相的含量减小，并且NiSis相的含量增 大。该样，用作非活性相的