АКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК H01M4/13 

Предпосылки создания изобретения

Область техники

Настоящее изобретение относится к литий-ионным аккумуляторам, в которых используется материал отрицательного электрода, полученный путем пропитки кремнием пор пористого углерода, для решения проблемы расширения объема, возникающей при использовании кремния в качестве материала отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, и обусловленной этим проблемы сокращения срока службы и низкой выходной мощности.

Предшествующий уровень техники

Аккумулятор - это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую, а отрицательный электрод (материал с высоким потенциалом) и положительный электрод (материал с низким потенциалом) различаются относительной разностью потенциалов обмениваемых ионных материалов. Отрицательный электрод и положительный электрод в совокупности называются электродом, причем электрод состоит из активного материала, запускающего электрохимическую реакцию, и токосъемника, используемого в качестве пути перемещения электронов.

Аккумулятор используется в качестве аккумуляторной батареи большой емкости для электромобилей, аккумуляторных систем накопления энергии и т.п., а также в качестве компактного и высокопроизводительного источника энергии для портативных электронных устройств, таких как сотовые телефоны, видеокамеры, ноутбуки и т.п. Для максимального уменьшения размеров, длительного и непрерывного использования портативных электронных устройств требуются аккумуляторы небольшого размера и высокой емкости в сочетании с исследованиями в области легковесности и низкого энергопотребления компонентов.

В том числе литий-ионные аккумуляторы вырабатывают электрическую энергию за счет окислительных и восстановительных реакций, когда ионы лития интеркалируются и деинтеркалируются на положительном электроде и отрицательном электроде, где пространство между положительным электродом и отрицательным электродом, изготовленным из активного материала, способного к интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития, заполнено электролитом, и, в частности, при разряде литий окисляется до ионов лития на отрицательном электроде, и ионы лития перемещаются к положительному электроду через электролит, а генерируемые электроны перемещаются к положительному электроду через внешний проводник, и на положительном электроде ионы лития, перемещенные с отрицательного электрода, интеркалируются для приема электронов и запускают реакцию восстановления, тогда как при заряде на положительном электроде происходит реакция окисления, а на отрицательном электроде происходит реакция восстановления, и поскольку литий-ионные аккумуляторы обладают высокой выходной мощностью, они широко используются в качестве высокоэффективного устройства накопления и подачи энергии для приведения в действие электромобилей, портативных электронных устройств и/или мелкой бытовой техникой.

При этом, несмотря на то, что в настоящее время в качестве материала отрицательного электрода литий-ионных аккумуляторов в основном используют графит, с помощью графита трудно преодолеть ограничение материала, и для решения этой проблемы используют материалы на основе кремния, обладающие высокой теоретической емкостью и, таким образом, способные повышать плотность энергии; одновременно продолжаются различные исследования для решения таких проблем, как увеличение объема и т. п., которые возникают при использовании кремния.

Краткое изложение сущности изобретения

Целью настоящего изобретения является решение проблемы увеличения объема, возникающей при использовании кремния в качестве материала отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, и обусловленного этим сокращения срока службы и низкой выходной мощности.

Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предусматривает литий-ионный аккумулятор, включающий материал отрицательного электрода, полученный путем пропитки кремнием пор пористого углерода.

В настоящем изобретении пористый углерод может включать пек и ацетат магния (MgOAc) в массовом соотношении от 1,5:1 до 4:1.

Кроме того, в настоящем изобретении пористый углерод может включать пек и ацетат магния (MgOAc) в массовом соотношении 7:3.

Кроме того, настоящее изобретение предусматривает способ изготовления материала отрицательного электрода для литий-ионных аккумуляторов, включающий этапы: смешивания пека для материала отрицательного электрода с ацетатом магния (MgOAc); получения углерода и оксида магния путем термообработки с использованием инертного газа (Ar или N₂); получения пористого углерода путем удаления оксида магния с помощью обработки кислотой (HNO₃, HCl, H₂SO₄); и пропитки пористого углерода кремнием в вакуумной среде.

Краткое описание чертежей

На ФИГ. 1 представлено изображение материала отрицательного электрода, полученного путем пропитки кремнием пор пористого углерода в соответствии с настоящим изобретением, и способ его получения.

Описание предпочтительного варианта осуществления

Термины, используемые в настоящем изобретении, используются исключительно для описания конкретных вариантов осуществления и не призваны ограничить настоящее изобретение. Выражения в единственном числе включают выражения во множественном числе, если контекст прямо не предполагает иного. Следует понимать, что в данной заявке такие термины, как «содержать», «иметь» и т.п., предназначены для обозначения наличия признаков, чисел, этапов, операций, компонентов, деталей или их сочетаний, изложенных в описании, и не предполагают обязательно исключение присутствия или добавление одного или нескольких других признаков, чисел, этапов, операций, компонентов, деталей или их сочетаний.

Если не определено иное, все термины, используемые в настоящем документе, включая технические или научные термины, имеют то же значение, которое обычно подразумевают специалисты в данной области. Термины, определенные в широко используемых словарях, должны толковаться как имеющие значение, соответствующее значению в контексте соответствующих технологий, и не должны толковаться абстрактно или в чрезмерно формальном смысле, если они четко не определены в настоящем изобретении.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, настоящее изобретение предусматривает литий-ионный аккумулятор, включающий материал отрицательного электрода, полученный путем пропитки кремнием пор пористого углерода.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения пористый углерод может включать пек и ацетат магния (MgOAc) в массовом соотношении от 1,5:1 до 4:1.

В настоящем изобретении пек является общим термином для сажистого твердого остатка, получаемого при перегонке смолы, полученной сухой перегонкой угля, древесины или других органических материалов, и может использоваться как изотропный пек, так и анизотропный пек (мезофазный пек и т.п.), при этом указанные углеродные исходные материалы могут применяться отдельно или в сочетании.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения пористый углерод может включать пек и ацетат магния (MgOAc) в массовом соотношении 7:3.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предложен способ изготовления материала отрицательного электрода для литий-ионный аккумуляторов, включающий этапы: смешивания пека для материала отрицательного электрода с ацетатом магния (MgOAc); получения углерода и оксида магния путем термообработки с использованием инертного газа (Ar или N₂); получения пористого углерода путем удаления оксида магния с помощью обработки кислотой (HNO₃, HCl, H₂SO₄); и пропитки пористого углерода кремнием в вакуумной среде.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно с изложением частных вариантов осуществления. Эти варианты осуществления приведены исключительно для иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения не следует понимать как ограниченный указанными вариантами осуществления.

Вариант 1. Этап изготовления пористого углерода, пропитанного кремнием.

Материал отрицательного электрода, получаемый путем пропитки кремнием пор пористого углерода, согласно настоящему изобретению, изготавливают посредством смешивания, в первую очередь, пека для материала отрицательного электрода с ацетатом магния (MgOAc); получения углерода и оксида магния путем термообработки с использованием инертного газа (Ar или N₂); получения пористого углерода путем удаления оксида магния с помощью обработки кислотой (HNO₃, HCl, H₂SO₄); и пропитки кремнием пористого углерода в вакуумной среде (ФИГ. 1).

Вариант 2. Сравнение результатов в зависимости от массового соотношения пека и MgOAc

В материале отрицательного электрода аккумулятора, в котором поры пористого углерода пропитаны кремнием в соответствии с настоящим изобретением, измерены эксплуатационные характеристики аккумулятора в зависимости от массового соотношения пека и MgOAc: результаты приведены в таблице 1.

[Таблица 1]

Массовое соотношение пека и MgOAc (масс./масс.) Удельная площадь поверхности пористого углерода (м²/г) Разрядная емкость (мА⋅ч/г) Кулоновская эффективность (%) Характеристика срока службы (50-кратно %) Сравнительный пример 1 – – 321 86,0 85,0 Вариант осуществления 1 4,0 3,82 328 92,9 93,4 Вариант осуществления 2 2,3 5,15 335 93,6 96,5 Вариант осуществления 3 1,5 8,45 330 91,2 90,6

В таблице 1 вариант 1 является результатом смешивания пека и MgOAc в массовом соотношении 8:2, вариант 2 является результатом смешивания пека и MgOAc в массовом соотношении 7:3, вариант 3 является результатом смешивания пека и MgOAc в массовом соотношении 6:4, а сравнительный пример 1 является результатом эксперимента с существующим материалом отрицательного электрода с использованием кремния без пористого углерода. Согласно таблице 1, можно утверждать, что эксплуатационные характеристики аккумулятора по вариантам осуществления 1–3, в которых поры пористого углерода пропитаны кремнием, значительно превосходят характеристики по сравнительному примеру 1, в котором не применяется пропитка кремнием пор пористого углерода, и, в частности, можно утверждать, что среди описанных вариантов характеристики смешивания пека и MgOAc в массовом соотношении 7:3 (вариант 2) превосходят характеристики, получаемые при смешивании пека и MgOAc в массовом соотношении 8:2 (вариант 1) и при смешивании пека и MgOAc в массовом соотношении 6:4 (вариант 3).

Литий-ионный аккумулятор по настоящему изобретению может улучшить эксплуатационные характеристики за счет повышения выходной мощности и предотвращения сокращения срока службы аккумулятора, поскольку поры пористого углерода подавляют объемное расширение кремния.

Как описано выше, оптимальные варианты осуществления раскрыты на чертежах и в описании. Несмотря на использование в настоящем документе конкретных терминов, они применяются исключительно с целью описания настоящего изобретения и не призваны ограничить значение или объем настоящего изобретения, описываемые в формуле изобретения. Таким образом, для специалистов в данной области техники понятно, что описываемое изобретение допускает различные модификации и другие аналогичные варианты осуществления. Соответственно, истинный объем технической защиты настоящего изобретения должен определяться техническим духом прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к литий-ионным аккумуляторам. Материал отрицательного электрода получен путем пропитки кремнием пор пористого углерода, при этом пористый углерод включает пек и ацетат магния (MgOAc) в массовом соотношении от 1,5:1 до 4:1 или в массовом соотношении 7:3. Техническим результатом является увеличение срока службы и выходной мощности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Материал отрицательного электрода для литий-ионных аккумуляторов, в котором поры пористого углерода пропитаны кремнием, при этом пористый углерод включает пек и ацетат магния (MgOAc) в массовом соотношении от 1,5:1 до 4:1 или в массовом соотношении 7:3.

2. Способ изготовления материала отрицательного электрода для литий-ионных аккумуляторов, включающий этапы:

смешивания пека для материала отрицательного электрода с ацетатом магния (MgOAc) в массовом соотношении от 1,5:1 до 4:1 или в массовом соотношении 7:3;

получения оксида углерода и магния путем термообработки с использованием инертного газа;

получения пористого углерода путем удаления оксида магния с помощью обработки кислотой;

и пропитки пористого углерода кремнием в вакуумной среде.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что смешивание пека для материала отрицательного электрода с ацетатом магния (MgOAc) осуществляют в массовом соотношении от 1,5:1 до 4:1.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что смешивание пека для материала отрицательного электрода с ацетатом магния (MgOAc) осуществляют в массовом соотношении 7:3.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что получение оксида углерода и магния путем термообработки осуществляют с использованием инертного газа Ar или N₂.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что получение пористого углерода путем удаления оксида магния осуществляют с помощью обработки кислотой HNO₃ или HCl или H₂SO₄.