[发明专利]稳定的电化学电池活性材料

说明书

发明领域

本发明涉及电化学电池和电池组，具体而言，涉及具有锂基活性材料的电池和电池组。

发明背景

锂电池组可以由一个或多个电池制得。这种电池包括氧化极(负极)、还原极(正极)和在隔开的电绝缘的正极和负极之间的电解质。电解质一般是溶解于一种或多种溶剂，一般用非水(质子惰性的)溶剂中的锂盐。在电池放电期间，电池的负极按照惯例定义为氧化极。使用电池期间，锂离子(Li⁺)在充电中迁移到负极。放电期间，锂离子(Li⁺)从负极迁移到正极。以后的充电和放电中，锂离子(Li⁺)在电极之间迁移。在开始条件下，采用金属锂负极和金属硫属元素化物正极的电池充电。放电期间，锂离子从金属锂负极通过液体电解质到达正极的电化学活性材料，此时释放能量。充电期间，锂离子反向流动，从正极活性材料通过传导离子的电解质，然后迁移返回到锂负极。

金属锂负极已被碳负极取代，这种碳负极是碳材料如非石墨化的无定形焦、石墨化碳或石墨，它们都是插入式式材料。对可再充电的锂提出一种相当有利和安全的方法，即用能可逆插入锂离子的材料代替金属锂，因此提供了所谓“摇椅”式电池组，其中的锂离子在充电/放电/再充电循环期间在插入式电极之间“摇摆”。这种不用金属锂的电池可看作具有两个锂离子可插入(吸收)的电极“海绵”，被传导锂离子的电解质隔开，电解质一般是溶解在非水溶剂或这种溶剂混合物中的盐。很多这类电解质、盐和溶剂是本领域已知的。这种碳负极在组装到具有正极插入式材料的电池之前，可以预先锂化。

在使用含锂电极的电池组或电池中，很重要的一点是尽可能除去会影响电池性能的杂质。具体而言，锂金属箔电极的再充电性能受到金属锂和杂质之间副反应的限制。当杂质与锂反应时，在锂上形成固体表面层，会增加负极的阻抗。非金属的碳负极也会由于和电池杂质反应而钝化。

由于杂质而使性能受到影响，所以人们选择与电池组分反应性较小的溶剂和盐。这样就无法那些与反应较小的相比本可使电池具有较佳性能的溶剂和盐。另一种方法中，如美国专利5,419,985所述的，将酸性干燥剂和/或可水解化合物加入到电池的前体组分中。这些化合物用来吸取水或与水发生水解，然后在组装电池部件之前除去水解产物。然而，由于引起不利反应的杂质来源可能是电池内的任何组分，包括负极、正极和电解质，在完成组装电池之前很难完全除去这些杂质。所以，这样的干燥剂和可水解化合物并不十分有效。这一点尤其明显，因为在电池组装后来自环境的水分和其它杂质会透过电池的保护罩子。因此，需要了解由于电池组分和杂质的不希望的相互作用，引起电池性能降低和缩短电池循环寿命的机理。尽管不使用金属锂已经解决了杂质和金属锂相互作用的问题，但仍然需要确定杂质是怎样引起电量损失的，并找出有效的方法来防止由于这种相互作用导致的电池性能降低。

发明概述