[发明专利]高容量锂离子电化学电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电化学电池。

背景技术

锂离子电化学电池通过将锂可逆地嵌入和提取到活性负电极材料(通常为碳或石墨)和活性正电极材料(通常为层状或尖晶石结构的过渡金属氧化物)两者中进行操作。已经通过增加负电极和正电极的密度，并且利用不可逆容量较低的活性电极材料来增加锂离子电化学电池的能量密度。例如，在当前的高能电池中，正电极材料通常具有小于约20％的孔隙率，并且负电极材料通常具有小于约15％的孔隙率，而且它们各自具有小于约4％到8％的不可逆容量。

总能量、能量密度和循环时的放电比容量高的锂离子电池在例如美国专利公开No.2009/0263707(Buckley等人)中有所描述。这些电池使用了高能正极活性材料、石墨或碳负极活性材料以及极厚的活性材料涂层。然而，由于活性材料涂层很厚，故很难在集电器涂层没有片状剥落或该涂层没有破裂的情况下制备卷绕式电池。

近来，已经使用合金活性材料作为负电极构造出高能锂离子电池。这种材料的重量和体积能量密度比单独石墨高。然而，合金活性负极材料会因锂化和脱锂化而发生较大的体积变化。为了使此类较大的体积变化减到最小，可使合金活性材料包括电化学活性相(可与锂反应的相)和电化学非活性相(不与锂反应的稀相)两者。另外，基于合金活性材料的负电极在被涂布时往往会具有高孔隙率，并且通过压延只能略微增加密度。因此，可能有益的是将合金活性材料与石墨以及导电稀释剂和粘结剂掺合在一起，以形成复合电极，这种复合电极可适当地增加密度。与合金掺合的石墨的量可为约35重量％(wt％)到约65重量％。导电稀释剂(碳黑、金属纤维等)的量通常可在约2重量％到约5重量％范围内，并且粘结剂的用量通常在约2重量％到约8重量％范围内。

发明内容

需要高容量、高能锂离子电化学电池。还需要能够多次充电和放电而容量不会显著损失的锂离子电化学电池。

在一个方面，提供一种锂离子电化学电池，所述锂离子电化学电池包括：复合正电极，所述复合正电极具有第一循环不可逆容量并且包含金属氧化物复合活性材料；复合负电极，所述复合负电极具有10％或更高的第一循环不可逆容量并且包含合金活性材料；以及电解质，其中所述正电极的所述第一循环不可逆容量在所述负电极的所述第一循环不可逆容量的40％以内。正电极可包含金属氧化物材料，这种材料可包括钴、镍、锰、锂或它们的组合。负电极可包括合金活性材料，这种材料可包括：硅、锡或它们的组合；任选的铝、至少一种过渡金属；任选的钇、镧系元素、锕系元素或它们的组合；以及任选的碳。

在另一方面，提供一种制备高容量电化学电池的方法，所述方法包括：提供负电极，所述负电极具有10％或更高的第一循环不可逆容量并且包含合金活性材料；选择正电极，所述正电极的第一循环不可逆容量在所述负电极的所述第一循环不可逆容量的40％以内；以及将所述负电极、所述正电极与电解质组合，以形成电化学电池。

在本公开中：

“活性”或“电化学活性”是指一种材料可通过与锂反应而发生锂化和脱锂化；

“合金活性材料”是指两种或更多种元素的组合物，这些元素中的至少一者是金属，并且其中所得的材料具有电化学活性；

“复合(正或负)电极”是指活性和非活性材料，这两种材料构成一个涂层，所述涂层被施加于集电器而形成电极，并且包括例如导电稀释剂、增粘剂和粘结剂；

“第一循环不可逆容量”是在第一个充电/放电循环期间损失的电极锂容量的总量，以mAh为单位表示或表示为占总电极的百分比；或者是活性组分的容量；

“孔隙率”是指材料是空气时的体积百分比；并且

“比容量”是用于保持锂的电极材料的容量，并且以mAh/g为单位表不。

所提供的锂离子电化学电池可提供高体积能量和比能量。在如18650圆柱型电池之类小型电池中，电池容量可能高达2.8Ah、3.0Ah、3.5Ah或甚至更高。所提供的锂离子电化学电池可在重复的充电-放电循环后保持这种高容量。

以上内容并非意图描述本发明每种实施方式的每一个公开实施例。附图说明和随后的具体实施方式更具体地对示例性实施例进行了举例说明。

附图说明

图1是假设提供的锂离子电化学电池的电池电压与比容量(mAh/g)的关系图。

图2是提供的锂离子电化学电池的若干实施例的经过归一化的电池放电容量与循环次数的复合关系图。

具体实施方式