TWI734043B - 電極材料、電極及電池 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種電極材料、電極及電池。此電極材料具有含碳核心、碳層與複數個含矽粒子。碳層包覆含碳核心。此些含矽粒子係埋設於碳層中，且分散於含碳核心之表面。其中，電極材料不包含高分子材料。其次，此電極材料可製得電池之電極，且此電極可提升電池之電容量、充放電效能與循環壽命。

Description

電極材料、電極及電池

本發明係有關一種電極材料，特別是提供一種可提升電池效能之電極材料。

隨著科技之進步，能源需求係日益增長。其中，基於3C用品之發達，3C用品於日常生活中已扮演不可或缺之角色，故人們對於3C用品之電池續航力的要求係逐漸提高。另外，為了提升使用與攜帶之便利性，3C用品之尺寸亦日趨輕薄。

據此，具有體積小、高容量與高功率之鋰電池係日益被重視。一般鋰電池之正極係由鋰金屬氧化物所製成，且負極係由碳材料所製成。於放電過程中，鋰離子係由電解液嵌入至正極中，而可提供外部電流。於充電過程中，鋰離子係由正極脫出，並穿過電解液，以嵌入至負極中。因此，於充放電過程中，鋰離子係於正負極間穿梭，而可將化學能轉化為電能，進而可釋放或儲存。其中，鋰電池之正極反應式、負極反應式與全反應式分別如下式(I)、式(II)與式(III)所示。

然而，雖然碳材料之負極具有良好的導電性，而可提升電池效能，但碳材料負極的電容性質已無法滿足日益嚴苛之應用需求，故碳材料負極仍亟須被改善。

另外，由於鋰電池係藉由鋰離子之遷移來形成外部電流，故當鋰離子嵌入負極，或者由負極脫嵌時，負極材料之體積將隨之變化，而降低負極之尺寸穩定性，而降低電池之循環穩定性。再者，當負極材料之體積膨脹時，負極材料易於電池內部產生內應力，而降低電池之循環穩定性。

有鑑於此，亟須提供一種電極材料，以改進習知電極材料、所製得之電極與含有此電極之電池的缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種電極材料，其特定結構可有效使含矽粒子均勻分布於電極材料中，以避免含矽粒子於充放電過程中之體積變化集中於某處，而造成過大的應力累積，進而可提升電極之穩定性，故可提升循環壽命，且特定組成可有效提升所製得電極之電容量與充放電效能。

本發明之另一態樣是在提供一種電極，其係由前述之電極材料所製成。

本發明之又一態樣是在提供一種電池，其包含前述之電極。

根據本發明之一態樣，提出一種電極材料。此電極材料包含含碳核心、碳層與複數個含矽粒子。此碳層包覆含碳核心。此些含矽粒子係分散於碳層中。其中，此電極材料不包含高分子材料。

依據本發明之一實施例，前述碳層之厚度係大於或等於此些含矽粒子之最大粒徑。

依據本發明之另一實施例，此些含矽粒子之至少一者接觸含碳核心。

依據本發明之又一實施例，前述之碳層具有內層與外層，內層包覆含碳核心，外層包覆內層，且含矽粒子分散於內層中。

依據本發明之又一實施例，前述之內層係實心結構或多孔性結構。

依據本發明之再一實施例，前述內層之厚度係大於或等於此些含矽粒子之最大粒徑。

依據本發明之又另一實施例，前述含矽粒子之至少一者接觸含碳核心。

依據本發明之再另一實施例，前述含矽粒子之至少相鄰二者互相接觸。

依據本發明之更另一實施例，前述每一個含矽粒子與含碳核心之平均粒徑比為1：1.5至1：1000。

根據本發明之另一態樣，提出一種電極。此電極係藉由前述之電極材料所製成。

根據本發明之又一態樣，提出一種電池。此電池包含前述電極。

應用本發明之電極材料、電極與包含此電極之電池，其特定結構可有效使含矽粒子均勻分布於電極材料中，以避免含矽粒子於充放電過程中之體積變化集中於某處，而造成過大的應力累積，進而可提升電池之循環穩定性。其次，電極材料中之各結構的特定組成可有效提升電極之電容量與充放電效能，而可提升電池效能。

100a/100b/100c/100d/200a/200b/200c/200d‧‧‧電極材料

110‧‧‧含碳核心

120‧‧‧碳層

130‧‧‧含矽粒子

210‧‧‧含碳核心

210a‧‧‧邊界

210b‧‧‧接合面

211‧‧‧碳核

213‧‧‧碳殼層

220‧‧‧碳層

230‧‧‧含矽粒子

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：〔圖1A〕係繪示依照本發明之一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖1B〕係繪示依照本發明之另一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖1C〕係繪示依照本發明之又一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖1D〕係繪示依照本發明之再一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖2A〕係繪示依照本發明之再一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖2B〕係繪示依照本發明之又另一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖2C〕係繪示依照本發明之再另一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖2D〕係繪示依照本發明之更另一實施例之電極材料的剖視示意圖。

〔圖3A〕係顯示依照本發明之實施例1之電極材料的掃描式電子顯微鏡照片。

〔圖3B〕係顯示依照本發明之實施例1之電極材料的掃描式電子顯微鏡照片。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照圖1A，其係繪示依照本發明之一實施例之電極材料的剖視示意圖。電極材料100a具有含碳核心110、碳層120與複數個含矽粒子130。碳層120係完整地包覆含碳核心110，且含矽粒子130係埋設於碳層120中，其中含矽粒子130係分散於含碳核心110的表面之上。較佳地，含矽粒子130係均勻地分散於含碳核心110的表面之 上。於電極材料100a中，由於含矽粒子130已被碳層120固定侷限，故含矽粒子130不須藉由其他材料(例如：高分子材料)包覆固定於含碳核心110上。

每一個含矽粒子130係完整地被碳層120包覆。換言之，每一個含矽粒子130不接觸含碳核心110，且每一個含矽粒子130與含碳核心110係被碳層120分開。在一些實施例中，部分之含矽粒子130可接觸含碳核心110，且其餘之含矽粒子130不接觸含碳核心110。

在一些實施例中，每一個含矽粒子130係與相鄰之兩個含矽粒子130相接觸。如圖1A所繪示，雖然電極材料100a為球體，但須說明的是，本發明之電極材料100a的外型不限於球體，其可根據電極設計及/或應用需求而具有不同之外型。

在一些實施例中，含矽粒子130於碳層120中可形成多層結構。此「多層結構」係指每一層中之含矽粒子130可排列形成一虛擬層，而非實體之連續層狀結構。如圖1B所示，於電極材料100b中，每一個含矽粒子130係被碳層120包覆，且層與層間之含矽粒子130係彼此錯開(即遠離含碳核心110之第二層的含矽粒子130中之一者係位於鄰近含碳核心110之第一層的含矽粒子130中之相鄰二者間)。換言之，沿著含碳核心110之徑向方向，第二層之含矽粒子130不對準第一層之含矽粒子130。在此些實施例中，含矽粒子層與相鄰之含矽粒子層可彼此重疊或不重疊。須特別說明的是，此處所稱之「重疊」係指每一層之含矽粒子130所排列 而成之虛擬層與相鄰之含矽粒子虛擬層彼此重疊，而非含矽粒子130與相鄰層之含矽粒子130重疊。換言之，當含矽粒子層與相鄰之含矽粒子層重疊時，每一個含矽粒子130仍被碳層120包覆。當含矽粒子層與相鄰之含矽粒子層不重疊時，含矽粒子層與相鄰之含矽粒子層可緊密相鄰或相隔一間距。

於電極材料100a中，由於含碳核心110與碳層120之碳基材料具有良好之導電性，故所製得之電極的充放電效能可有效地被提升，而可提升電池之性能。其次，嵌埋於碳層120中之含矽粒子130之理論電容量較傳統石墨負極材料高，故可有效提升電極之電容量。當包含電極材料100a的鋰電池進行充放電時，由於含矽粒子130係均勻分布且被固定於碳層120中，因此矽粒子不易因團聚而使充放電時產生的應力集中於某處，故可提升電極之循環穩定性。依據前述之說明可知，電極材料100a所製得之電極可具有良好之導電性能、充放電效能與循環穩定性，故所製得之電極可具有良好之循環壽命。

含碳核心110可為石墨材料、軟碳、硬碳、無定型碳、其他適當之含碳材料，或上述材料之任意混合。舉例而言，此石墨材料可包含但不限於天然石墨、人造石墨、介相石墨，及/或其他適當之石墨材料。在一些實施例中，含碳核心110可為實心的或具有多孔性的。在一些具體例中，當電極材料100a之外型為球體時，含碳核心110之徑向 長度(即球體之直徑)可為3μm至50μm，且較佳可為10μm至30μm。

舉例而言，碳層120可由無定型碳、結晶相碳材、軟碳、硬碳、其他適當之含碳材料，或上述材料之任意混合所製成。在一些具體例中，碳層120之厚度可為5nm至2000nm，且較佳可為100nm至1000nm。

含矽粒子130之材料可包含但不限於純矽、氧化矽、其他適當之矽材料，或上述矽材料之任意混合。在一些實施例中，當含碳核心110為球體時，含矽粒子130與含碳核心110之粒徑比可為1：1.5至1：1000，較佳可為1：100至1：600，且更佳可為1：250。在一些具體例中，此些含矽粒子130之粒徑可為30nm至2μm。舉例而言，含矽粒子130與含碳核心110之平均粒徑比可為1：833，其中含矽粒子130之粒徑可為30nm，且含碳核心110之粒徑可為25μm。在一些實施例中，此些含矽粒子130之粒徑可為均一的。當含矽粒子130與含碳核心110之粒徑比為前述之範圍時，含矽粒子130可較良好地分散於含碳核心110的表面之上，而製得可更有效提升電池效能之電極。

請參照圖1C，其係繪示依照本發明之另一實施例之電極材料之剖面示意圖。電極材料100c之結構與電極材料100a之結構大致上相同，兩者之差異在於電極材料100c中之每一個含矽粒子130均接觸含碳核心110。另外，於電極材料100c中，碳層120之厚度係大於每一個含矽粒子 130之粒徑。故，當含矽粒子130之粒徑不均一時，碳層120之厚度將大於含矽粒子130之最大粒徑。

由於每一個含矽粒子130均接觸含碳核心110，故電極材料100c之含矽粒子130不彼此重疊。在一些實施例中，每一個含矽粒子130與相鄰之兩個含矽粒子130互相接觸。

於電極材料100c中，含碳核心110、碳層120與含矽粒子130所選用之材料可相同於電極材料100a中之各結構所選用的材料，故在此不另贅述。

請參照圖1D，其係繪示依照本發明之又一實施例之電極材料之剖面示意圖。電極材料100d之結構與電極材料100c之結構大致上相同，兩者之差異在於碳層120之厚度係等於含矽粒子130之粒徑。在一些實施例中，當含矽粒子130之粒徑不均一時，碳層120之厚度係等於含矽粒子130之最大粒徑。

相同地，於電極材料100d中，由於含矽粒子130均接觸含碳核心110，故含矽粒子130彼此不重疊，且含矽粒子130均係位於碳層120中。

於電極材料100d中，含碳核心110、碳層120與含矽粒子130所選用之材料可相同於前述電極材料100a中之各結構所選用的材料，故在此不另贅述。

請參照圖2A，其係繪示依照本發明之再一實施例之電極材料的剖視示意圖。電極材料200a具有含碳核心 210、碳層220與複數個含矽粒子230，且碳層220完整地包覆含碳核心210。

含碳核心210係由碳核211與碳殼層213所組成，其中碳殼層213包覆碳核211，碳核211與碳殼層213之間具有一邊界210a，且碳殼層213與碳層220之間具有接合面210b。每一個含矽粒子230均係埋設於碳殼層213中，故含矽粒子230係位於邊界210a與接合面210b之間。再者，含矽粒子230已可藉由碳殼層213固定，故含矽粒子230不須藉由其他材料(例如：高分子材料)包覆固定於碳核211上，或被固定於碳殼層213中。

須特別說明的是，在一些實施例中，前述之邊界210a係虛擬邊界，以將含碳核心210劃分為碳核211之區域與碳殼層213之區域。因此，在此些實施例中，碳核211與碳殼體213可藉由相同之材料所製成，且兩者具有相同之結構特性(例如：實心結構或多孔性結構，及/或結晶性等)。然而，本發明並不以此為限，依據電極設計及/或應用需求，邊界210a亦可為實際之邊界。舉例而言：在一些實施例中，碳核211與碳殼層213可藉由相同之材料所製成，但兩者具有不同之結構特性；在一些實施例中，碳核211與碳殼層213可具有相同之結構特性，但兩者係藉由不同之材料所製成；在其他實施例中，碳核211與碳殼層213可藉由不同之材料所製成，且具有不同之結構特性。在一些具體例中，碳核211可為實心結構，而碳殼層213可為多孔結構。其中，當碳殼 層213為多孔結構時，碳殼層213可提供緩衝空間，而有助於舒緩含矽粒子230之體積膨脹。

前述之含矽粒子230係分散於碳核211的表面之上。在一些實施例中，含矽粒子230較佳係均勻分散於碳核211的表面之上。其中，每一個含矽粒子230係完整地被碳殼層213包覆，故每一個含矽粒子230不接觸碳核211，且每一個含矽粒子230與碳核211係被碳殼層213分開。在一些實施例中，部分之含矽粒子230可設置於邊界210a上(即含矽粒子230接觸碳核211之表面)，且其餘之含矽粒子230不設置於邊界210a上(即含矽粒子230不接觸碳核211之表面)。

在一些實施例中，含矽粒子230與接合面210b之距離可為5nm至5000nm，且較佳為100nm至2000nm。

在一些實施例中，每個含矽粒子230可與相鄰之兩個含矽粒子230相接觸。如圖2A所繪示，雖然電極材料200a為球體，但須說明的是，電極材料200a之外型不限於球體，其可根據電極設計及/或應用需求而具有不同之外型。

於電極材料200a中，含碳核心210之碳核211與碳殼層213及碳層220的碳材料之良好導電性可有效提升電極之充放電效能，而可提升電池性能。其中，可提升電極電容量之含矽粒子230係嵌埋至含碳核心210之碳殼層213中，故當所製得之鋰電池充放電時，由於含矽粒子230係均勻分布且被固定於碳層213之中，因此矽粒子不易因團聚而使充放電時產生的應力集中於某處，而可避免含矽粒子230 對電極施加過大之應力，進而可提升循環穩定性。據此，所製得之電極可有效地提升電池之充放電效能與電容量，並延長電池之循環壽命。其中，當含矽粒子230與接合面210b之距離為前述之範圍時，碳殼層213可良好地包覆含矽粒子230，以避免含矽粒子230直接接觸到電解液，而可避免含矽粒子230與電解液發生副反應所導致之循環效能下降。

含碳核心210之碳核211可為石墨材料、軟碳、硬碳、無定型碳、其他適當之含碳材料，或上述材料之任意混合。舉例而言，此石墨材料可包含但不限於天然石墨、人造石墨、介相石墨，及/或其他適當之石墨材料。在一些實施例中，碳核211可為實心的或具有多孔性的。在一些具體例中，當電極材料200a之外型為球體時，碳核211之徑向長度(即球體之直徑)可為3μm至50μm，且較佳可為10μm至30μm。

含碳核心210之碳殼層213之材料可相同於或不同於碳核211之材料。較佳地，碳殼層213之材料係相同於碳核211之材料。在一些具體例中，碳殼層213之材料可包含但不限於無定型碳、結晶相碳材、軟碳、硬碳、其他適當之含碳材料，或上述材料之任意混合。在一些實施例中，碳殼層213可為實心碳層或多孔性碳層。在一些具體例中，碳殼層213之厚度可為100nm至5μm，且較佳可為500nm至3000nm。

碳層220可包含但不限於無定型碳、結晶相碳材、軟碳、硬碳、其他適當之碳材料，或上述碳材料之任意 混合。在一些具體例中，碳層220之厚度可為5nm至2000nm，且較佳可為100nm至1000nm。

含矽粒子230之材料可包含但不限於純矽、氧化矽、其他適當之矽材料，或上述矽材料之任意混合。在一些實施例中，當含碳核心210為球體時，含矽粒子230與含碳核心210之粒徑比可為1：1.5至1：1000，較佳可為1：100至1：600，且更佳可為1：250。舉例而言，此些含矽粒子230之粒徑可為30nm至2μm。在一些實施例中，此些含矽粒子230之粒徑可為均一的。當含矽粒子230與含碳核心210之粒徑比為前述之範圍時，含矽粒子230可較良好地分散於含碳核心210的表面之上，而製得可更有效提升電池效能之電極。

請參照圖2B，其係繪示依照本發明之又另一實施例之電極材料之剖視示意圖。電極材料200b之結構與電極材料200a之結構大致上相同，兩者之差異在於電極材料200b之每一個含矽粒子230係設置於邊界210a上。換言之，每一個含矽粒子230均接觸碳核211。其次，碳殼層213之厚度係大於每一個含矽粒子230之粒徑。在一些實施例中，當含矽粒子230之粒徑不均一時，碳殼層213之厚度將大於含矽粒子230之最大粒徑。

於電極材料200b中，由於每一個含矽粒子230均接觸碳核211，故電極材料200b之含矽粒子不彼此重疊。電極材料200b之碳核211、碳殼層213、碳層220與含矽粒 子230可藉由與電極材料200a之對應結構相同的材料來製成，故在此不另贅述。

請參照圖2C，其係繪示依照本發明之再另一實施例之電極材料之剖視示意圖。電極材料200c之結構與電極材料200b之結構大致上相同，兩者之差異在於含矽粒子230排列形成多層結構。相鄰於碳核211之含矽粒子層為第一層，且遠離於碳核211之含矽粒子層為第二層。其中，第一層與第二層係含矽粒子230排列形成之虛擬層，而非實體之連續層狀結構，故每一個含矽粒子230係被碳殼層213分隔。

第一層與第二層間之含矽粒子230係彼此錯開，故第一層之含矽粒子230的一者係位於第二層之含矽粒子230的相鄰二者間。換言之，沿著碳核211之徑向方向，第一層之含矽粒子230不對準第一層之含矽粒子230。在一些實施例中，第一層與第二層可彼此重疊、緊密相鄰或間隔一距離。其中，第一層與第二層彼此重疊係代表兩虛擬層部分重疊，而非第一層之含矽粒子230重疊於第二層之含矽粒子230。

在一些實施例中，於前述含矽粒子之多層結構中，第二層之含矽粒子230可包含第一群與第二群之含矽粒子230，其中第一群之含矽粒子230係對準第一層之含矽粒子230，而第二群之含矽粒子230不對準第一層之含矽粒子230，且第二群含矽粒子230係與第一群含矽粒子230交錯 設置(換言之，每一個第二群含矽粒子230係位於第一群含矽粒子230的相鄰二者間)。

請參照圖2D，其係繪示依照本發明之更另一實施例之電極材料之剖視示意圖。電極材料200d之結構與電極材料200b之結構大致上相同，兩者之差異在於碳殼層213之厚度係等於含矽粒子230之粒徑，故含矽粒子230係設置於邊界210a與接合面210b上。

電極材料200d之碳核211、碳殼層213、碳層220與含矽粒子230可藉由與電極材料200a之對應結構相同的材料來製成，故在此不另贅述。

在一應用例中，本發明之電極材料所製得的電極可作為鋰電池之負極電極，而可提升鋰電池之電池性能。其中，電極材料之含矽粒子係均勻分布且被固定於碳層之中，因此矽粒子不易因團聚而使充放電時產生的應力集中於某處，故可提升電極之循環穩定性。其次，藉由含碳核心與碳層之碳基材料及含矽粒子之矽材料，電池之電容量與充放電效能可有效被提升。據此本發明之電極材料所製得之電極可有效提升電池效能。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

製備電極材料 實施例1

首先，混合中值粒徑(median diameter；D₅₀)為15μm至20μm之介相碳微球(Mesophase Carbon Microbeads；MCMB)石墨與中值粒徑為200nm至800nm之矽粉，以形成混合物A。其中，MCMB石墨與矽粉之重量比例為97.5：2.5。然後，將高軟化點瀝青粉破碎至小於9μm，並以88：12之重量比值混合混合物A與高軟化點瀝青粉，以形成混合物B。

接著，將混合物B放入機械混煉設備中，轉速設定為30rpm至60rpm，壓力設定為30kg/cm²至60kg/cm²，且溫度設定為220℃。混煉1小時後，自然降溫至室溫，即可製得中間產物。於氮氣氣氛下，對中間產物進行熱處理。其中，熱處理溫度為1000℃，升溫速率為每分鐘3℃。持溫3小時後，解碎熱處理後之中間產物，並以400目之篩網進行篩分，即可製得中值粒徑為18μm至25μm之實施例1的碳/矽/石墨複合電極材料。實施例1所製得之電極材料的掃描式電子顯微鏡照片如圖3A所示，且圖3A之比例尺規代表10μm。實施例1所製得之電極材料的剖切面之掃描式電子顯微鏡照片如圖3B所示，圖3B之比例尺規代表5μm。

實施例2

首先，混合中值粒徑為15μm至20μm之MCMB石墨與中值粒徑為1μm之氧化矽，以形成混合物A。其中，MCMB石墨與氧化矽之重量比例為95：5。將混合物A放入複合造粒機中，以進行造粒。複合造粒機之轉速 設定為60m/s，且時間為10分鐘。然後，將高軟化點瀝青粉破碎至小於9μm，並混合經造粒後之混合物A與高軟化點瀝青粉，以形成混合物B，其中經造粒後之混合物A與高軟化點瀝青粉之重量比值為88：12。

接著，於氮氣氣氛下，對混合物進行熱處理。其中，熱處理溫度為1000℃，且升溫速率為每分鐘3℃。持溫3小時後，解碎熱處理後之產物，並以400目之篩網進行篩分，即可製得中值粒徑為18μm至25μm之實施例2的碳/矽/石墨複合電極材料。

實施例3

首先，混合中值粒徑為15μm至20μm之MCMB石墨與中值粒徑為100nm至200nm之矽粉，以形成混合物A。其中，MCMB石墨與矽粉之重量比例為94：6。然後，將高軟化點瀝青粉破碎至小於9μm，並以88：12之重量比值混合混合物A與高軟化點瀝青粉，以形成混合物B。

接著，將混合物B放入機械混煉設備中，轉速設定為30rpm至60rpm，壓力設定為30kg/cm²至60kg/cm²，且溫度設定為220℃。混煉1小時後，自然降溫至室溫，即可製得中間產物。於氮氣氣氛下，對中間產物進行熱處理。其中，熱處理溫度為1000℃，升溫速率為每分鐘3℃。持溫3小時後，解碎熱處理後之中間產物，並以400目之篩網進行篩分，即可製得中值粒徑為18μm至25μm之實施例3的碳/矽/石墨複合電極材料。

比較例1

混合中值粒徑為15μm至20μm之MCMB石墨及中值粒徑為200nm至800nm之矽粉，即可製得比較例1之矽/石墨電極材料。其中，MCMB石墨與矽粉之重量比值為97.5：2.5。

比較例2

比較例2係使用與實施例2之電極材料的製作方法相同之製備方法，不同之處在於比較例2未利用高軟化點瀝青粉來包覆複合造粒所製得之矽/石墨電極材料。

製備鋰電池 應用例1至應用例3與比較應用例1至比較應用例2

應用例1至應用例3與比較應用例1至比較應用例2之鋰電池分別係利用實施例1至實施例3與比較例1至比較例2之電極材料，經由混漿製程與塗佈製程來製成鋰電池之電極。混漿製程係將實施例1至實施例3與比較例1至比較例2之電極材料、導電碳黑、羧甲基纖維素鈉(Sodium Carboxymethyl Cellulose；CMC)與苯乙烯丁二烯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber；SBR)於水中混合為漿料狀，其中電極材料、導電碳黑、CMC與SBR之重量比例為92：3.5：1.5：3。塗佈製程係將混合漿料塗佈於銅箔上，並裁切為直徑13mm之圓形極片。

所製得之圓形極片搭配聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯之隔離膜。應用例1、應用例2、比較應用例1與比較應用例2之電解液為碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)(EC/DEC之比例為1/1)，而應用例3之電解液為碳酸 乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/碳酸甲乙酯(EMC)(EC/DEC/EMC之比例為3/2/5)，且應用例3之電解液額外添加1wt%之碳酸亞乙烯酯(VC)或3wt%之氟代碳酸乙烯酯(FEC)(VC與FEC均係以EC/DEC/EMC之總重量為100wt%)。對電極可使用鋰金屬。據此，可製得應用例1至應用例3與比較應用例1至比較應用例2之鈕扣型半電池。所得之鈕扣型半電池以下列之評價方式進行評價，其結果如第1表所示，其中電容量與充放電效能之檢測方法容後再述。

評價方法 1.電容量

電容量之評價方式係利用本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知之方法來量測應用例1至應用例3與比較應用例1與比較應用例2之鋰電池的電容量。於電性測試中，第1至4圈之充放電速率均設定為0.1C，而自第5圈開始，充放電速率設定為0.5C。充放電電位區間為1mV至1.5V。

2.充放電效能

鋰電池之充放電效能係藉由電池之庫倫效率與容量保持率來判斷。其中，庫倫效率為每一圈之鋰嵌出的電容量與鋰嵌入的電容量的比值。容量保持率則為每一圈之鋰嵌出電容量與第1圈之鋰嵌出電容量的比值。因此，第10圈的容量保持率係第10圈的鋰嵌出電容量與第1圈之鋰嵌出 電容量的比值，且第50圈的容量保持率係第50圈的鋰嵌出電容量與第1圈之鋰嵌出電容量的比值。

如圖3A與圖3B所示，實施例1之電極材料的含矽粒子係被碳層(即瀝青)包覆，而可被固定於MCBC石墨之表面。另外，藉由瀝青之包覆，含矽粒子不易團聚形成顆粒。

其次，依據第1表所載之應用例1與比較應用例1可知，由於實施例1之含矽粒子係被碳層包覆於石墨表面，故含矽粒子係均勻地固定於石墨表面上。因此，於製作鋰電池之混漿製程中，含矽粒子不易團聚形成顆粒，故相較於比較應用例1之電極材料(即比較例1僅利用物理方式混合含矽粒子與石墨所製得之電極材料)，應用例1所選用之電極材料可有效提升循環壽命。

再者，於應用例2之鋰電池的電極材料中，由於氧化矽係藉由造粒被塞入石墨中，且石墨表面包覆有非晶質碳(即瀝青)，故氧化矽於後續製程不易團聚形成顆粒，且外層之非晶質碳可避免氧化矽直接接觸電解液，而可有效提升鋰電池之循環性能。因此，相較於比較應用例2之鋰電池，應用例2之鋰電池具有較佳之循環壽命。

進一步地，於應用例3中，藉由選用不同之電解液，應用例3之鋰電池具有較佳之電容量與充放電效能，且其循環壽命亦較佳。

據此，本發明之電極材料具有含矽粒子，而可提升電極之電容量，且藉由將含矽粒子嵌埋於碳層中，可使含矽粒子均勻分布於石墨表面，達到充分混合的效果，使含矽粒子不易團聚，且於充放電過程中，也可避免含矽粒子直接接觸電解液，進而避免含矽粒子與電解液發生副反應，因此可提升循環效能。

其次，藉由含碳核心與碳層之碳基材料，電極之導電性可有效地被提升，故所製得之電池可具有良好之充放電效能。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100a‧‧‧電極材料

110‧‧‧含碳核心

120‧‧‧碳層

130‧‧‧含矽粒子

Claims (6)

1. 一種電極材料，包含：一含碳核心，由一碳核區域與一碳殼層區域所組成，且該碳殼層區域圍繞該碳核區域，其中該碳核區域與該碳殼層區域係由相同材料所製成；一碳層，包覆該含碳核心之該碳殼層區域；以及複數個含矽粒子，嵌埋於該含碳核心中，且該些含矽粒子係位於該碳殼層區域中，且該些含矽粒子不分布於該碳核區域中，其中每一該些含矽粒子之一嵌埋深度為100nm至2000nm，且其中該電極材料不包含高分子材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電極材料，其中該含碳核心係實心結構或多孔性結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電極材料，其中該些含矽粒子之至少相鄰二者互相接觸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電極材料，其中每一該些含矽粒子與該含碳核心之一平均粒徑比為1：1.5至1：1000。
5. 一種電極，藉由如申請專利範圍第1至4項中之任一項所述之電極材料所製成。
6. 一種電池，包含如申請專利範圍第5項所述之電極。

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