[发明专利]包含用于吸收有害物质的装置的可再充电锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及可再充电锂电池，其含有能够吸收由这些电池在其使 用期间产生的有害物质的装置。

背景技术

由于可再充电锂电池具有较大容量和功率及能量密度，因此它们 用于若干电子器件中。这些电池的最近发展进一步改善了其性能，也 允许将它们用于混和动力车辆或完全电动车辆。

可再充电锂电池以及它们的工作原理是众所周知的。具体地，锂 电池包含由分隔体隔开并浸入电解质中的两个电极(阳极和阴极)。 氧化反应发生在阳极上并允许将电子释放入电路中，而还原反应发生 在阴极上并允许通过电路将电子重新引入电池中。电解质的作用是通 过允许离子从一个电极转移到另一个电极从而使电池的电路完整，而 分隔体具有防止阴极和阳极之间发生短路的功能。

因此，锂电池基本由密封容器以及电触头组成，在该容器内设置 有浸注或浸含特定电解质溶液且通过分隔体隔开的电极(阳极和阴 极)，且该电触头将这些电极的一部分与电池外部连通。

对于阴极，典型是涂覆有氧化物例如LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、 LiFePO₄的20μm厚的铝片；依照式LiCo_xNi_1-xO₂的Ni和Co的混和氧 化物也可用于此目的。而阳极典型由涂覆有石墨的铜片制成。在本发 明的说明书剩余部分中，将不再区分阳极和阴极，而用术语电极来统 称这些元件。

对于电解质溶液，它们典型由有机溶剂和离子盐形成。对于离子 盐，通常使用六氟磷酸锂(LiPF₆)，而作为溶剂，通常使用碳酸丙稀 酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙酯(EC) 和二甲基乙烷(DME)，单独使用或者更通常使用选自其中的两种或更 多种组分的混合物。

分隔体通常由可渗透锂离子的多孔聚合物材料制成。

在锂电池的使用期间可能在锂电池内部产生通常为气态形式的有 害物质，这甚至可能以不能恢复的方式损坏电池。有害物质的另一种 可能来源可归因于在电池内部使用的一些材料的解吸。关于在锂电池 内部产生有害物质的机理的更多细节可参见如下文章：“Gas generation mechanism due to electrolyte decomposition in commercial lithium-ion cell”，Kumai等人于1999年发表在Journal of Power Sources上，第715-719页；和“In situs tudy on CO₂evolution at lithium-ion battery cathodes”，Vetter等人于2006 年发表在Journal of Power Sources上，第277-281页。

二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、饱和烃与不饱和烃、氧气(O₂) 和氢氟酸(HF)是最有害的气态物质，而水(H₂O)(是另一种很有害 的物质)通常以溶于电解质溶液的液相形式存在。CO₂也可能以液相存 在，然而与它在电池内的存在相关的主要风险归因于它的气相。

在现有技术的锂电池中，吸气材料用于制备复合电池，即，它们 的功能是抑制杂质进入电化学电池而非吸收其中存在或产生的气体。

特别地，专利申请US 2007/0042264提及在密封电池的区域中存 在用于吸收H₂O的阻挡层，然而在该文献中，在锂电池中存在吸气材 料据称是有用的，但未描述将这些材料引入电化学器件中的方法。

在专利申请WO 2005/067645和专利申请US 2006/0286448中也 记载了可在锂电池中使用由吸气材料制成的阻挡层。

并非所有上述方案都解决了吸气材料和电解质之间的相容性问 题。实际上，吸气材料相对于电解质必须是完全惰性的，以便不危害 其吸收性能，并避免由于吸气材料和电解质之间反应而释放对于电池 操作有害的物质。在吸气材料通过与电池内存在的有害物质相结合而 执行其功能之后，也必须保证这样的相容性。