[发明专利]可变容量电池组件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张2010年1月11日提交的题为“VARIABLE CAPACITY CELL ASSEMBLY”的美国临时专利申请No.61/294,002的权益，其整体通过引用合并于此以用于所有目的。

背景技术

对大容量可再充电电化学电池的需求是强烈的。很多应用需要按重量和/或体积高容量的电池，例如航空航天、医疗器械、便携式电子设备和汽车。就此而言，锂离子技术表现出显著的改善。然而，到目前为止，该技术一般限于锂化期间理论容量仅约372mAh/g的石墨负电极和实际容量约140mAh/g（或其理论容量273mAh/g的约50%）的锂-钴-氧化物正电极。此外，对于包括汽车应用的很多应用而言，锂-钴-氧化物是昂贵的。

硅、锗、锡和很多其他大容量材料是用于锂离子电池的有吸引力的活性材料。然而，采用这些材料部分地受到初始循环期间表现出的高不可逆容量的限制。已经采取了某些方法来限制这种容量损失。例如，将硅布置成纳米线表现出粉化现象的显著减弱。

然而，在很多情况下，向电池中引入大容量负活性材料仅提供电池总体容量的部分改善，尤其是其按重量的容量。部分挑战来自于如下事实：在将大容量负电极与仍然提供较低重量容量的常规正电极材料配对时，源自大容量负电极的益处被稀释。常规电池设计提倡匹配正负电极的相对容量，导致这样的状况：由于电池质量更多地用于容量较低的电极，所以大容量电极（无论正负）给整个电池带来的益处变得更不明显。

总体上，需要电池电极中大容量活性材料的改善的应用，其最小化了上述缺点。

发明内容

本发明提供一种锂离子电池中用于正负电极的大容量材料的新颖组合。利用包括复合活性材料的正电极组装电池，复合活性材料具有活性成分和非活性成分。非活性成分可以稍后激活化以提供正电极上的额外锂嵌入位。激活过程还导致可用于循环的额外锂离子的释放。负电极包括配置成容纳激活期间释放的额外锂离子的大容量活性材料。

在某些实施例中，激活期间释放的锂离子量超过了也由激活造成的正电极容量的增加（即，非活性成分转换成活性形式）。这些过多的锂离子由大容量负活性材料容纳。在某些实施例中，激活期间产生的过多锂离子补偿了负电极中的至少一些锂损失（例如，SEI层的形成、负活性材料对锂的不可逆俘获等）。

提供一种电化学电池，包括含纳米结构大容量活性材料的负电极和含复合活性材料的正电极，复合活性材料具有非活性成分和活性成分。在被激活时，非活性成分可以转变成活性成分。所述激活可涉及基于已转换的非活性成分的重量具有至少约100mAh/g库伦含量（columbic content）的锂离子释放。在更特定的实施例中，所述激活涉及基于非活性成分的重量具有至少约300mAh/g库伦含量的锂离子释放。在激活之前所述正电极中的非活性成分的量可以足以大致匹配所述负电极的不可逆锂插入容量。在某些实施例中，在激活之前所述活性成分与所述非活性成分的化学计量比介于约1/10和10之间。

活性成分可以是LiMO₂的形式，M表示平均氧化态为三的一种或多种离子。这些离子的示例包括钒（V）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）。非活性成分可以是Li₂M'O₃的形式，M'表示平均氧化态为四的一种或多种离子。这些离子的示例包括锰（Mn）、钛（Ti）、锆（Zr）、钌（Ru）、铼（Re）和铂（Pt）

在某些实施例中，纳米结构的活性材料包括硅，或者更特别地，植根于导电衬底中的含硅纳米线。纳米结构的活性材料可以包括核心和壳，使得核心的材料不同于壳的材料。在某些实施例中，纳米结构的活性材料包括在充分放电状态下平均高宽比（aspect ratio）至少约为100的结构。在相同或其他实施例中，纳米结构的活性材料包括在充分放电状态下平均横截面尺度介于约1纳米和300纳米之间的结构。纳米结构的活性材料可以包括在充分放电状态下平均长度至少约为100微米的结构。

在某些实施例中，纳米结构的活性材料形成具有小于约百分之75的孔隙度的层。所述负电极的容量足以锂化激活所述非活性成分之后可用于在两个电极之间传输的所有锂离子。