[发明专利]具有硅基阳极和硅酸盐基阴极的锂电池

说明书

交叉引用的相关申请

本申请要求2012年3月8日提交的美国临时申请No.61/608262的权益。上述申请的公开内容在此以其全部引入作为参考。

本申请要求2012年3月1日提交的美国系列No.13/409732的权益，其要求了2011年3月8日提交的美国临时申请No.61/450401的优先权；和2012年3月1日提交的美国序号13/409709的权益，其要求了2011年3月8日提交的美国临时申请61/450411的优先权。每个上述申请的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及具有硅基阳极和硅酸盐基阴极的锂电池。

背景技术

此处提供的背景说明目的是一般性提出本发明的上下文。目前署名的发明人的工作，在这个背景部分中对它描述的程度上，以及在申请时还没有被认为是现有技术的说明书的方面，既没有明确也没有隐含地承认是针对本发明的现有技术。

电池材料的选择包括例如期望的功率输出和并入到电池中的具体装置的任何尺寸限制等考虑。对于可充电电池，还要考虑容量和额定容量或者电池接收和释放电荷的速率。在电动车或者其他高功率应用中，容量和额定容量二者是主要的性能，这是因为这些应用需要宽范围和高充/放电速率。

对于锂离子电池来说，还存在容量和额定容量的损失，这是因为在新电池的初次充/放电周期之后，存在着“初始周期不可逆性”或者10-50%的可利用的锂离子损失。因此，该初始周期不可逆性降低了电池对于随后的充放电的存储容量。为了补偿初始周期不可逆性和存储容量的降低，可以增加电池的尺寸。作为另一选择，可以使用交替电极系统(alternate electrode systems)，其改变了系统中的负极的类型。但是，这些补偿和交替电极系统具有缺点，并且提供了对于优化的电池的商业化的技术壁垒。

目前的锂离子电池技术基于以低能量密度碳质或者石墨材料作为负极和以氧化物或者磷酸盐作为正极。目前的正极材料在实际的锂电池中被限制于100-200 Ah/kg的最大容量。该氧化物正极还特别是在高温下在高充电态时通过放热反应与电解质反应和产生氧气。正极分解会影响电池性能，并且会导致电池热耗散。此外，氧化物正极中所用的过渡金属如钴和镍会导致成本显著上升。此外，磷酸盐正极具有固有的大的带隙，并因此需要专门的涂覆(用碳)或者掺杂，这增加了整体成本。另外，大部分氧化物阴极有过渡金属例如锰溶解的问题，特别是在高温下更是如此，这限制了它们的应用。此外，氧化物阴极充当了高充电态时电解质分解的催化剂，导致电池阻抗的增加。

发明内容

这个部分提供了本发明的总的概括，并非其完整范围或所有其特征的全面公开。

本发明提供了锂离子电池，其包括：包含片状橄榄石结构的硅酸盐基正极和包含多个碳纳米纤维芯的碳纤维基负极，所述碳纳米纤维芯各自具有硅层和保护层。

在其他方面，本发明提供一种制备锂离子电池的方法。将硅酸锂基电极(其包含混合过渡金属硅酸盐以具有片状结构)并入电池外壳中。该混合过渡金属硅酸盐具有通式Li₂M_(X)M’_(1-X)SiO₄，其中M和M’是具有不同氧化态的过渡金属。将碳纤维基电极(其包含具有硅层和保护层的碳纳米纤维芯)并入每个电池单元(battery cell)中或者电池外壳中。

在其他方面，提供了操作锂离子电池的方法。将锂离子分布在形成在片状硅酸盐材料之间的多个空间中，其中所述片状硅酸盐材料组合起来构成阴极(也称作正极)区域。用锂离子源填充(charge)电池，其可以来自于该硅酸盐。锂离子分布在硅包覆的碳纳米纤维各处，由此降低了锂离子的初始周期不可逆性。

具体地，本发明提供了以下方面：

1.一种锂离子电池，其包括：

包含片状橄榄石结构的硅酸锂基电极；和

包含多个碳纳米纤维芯的碳纤维基电极，其中每个碳纳米纤维芯具有硅层和保护层。

2.方面1的锂离子电池，其中该片状橄榄石结构是成簇的。

3.方面2的锂离子电池，进一步地其中该片状橄榄石结构形成了在垂直于该硅酸盐的晶格b方向的方向上定向的片，和进一步地其中所述簇提供了用于锂离子在片状橄榄石结构之间扩散的通道。

4.方面1的锂离子电池，其中该片状橄榄石结构包含结构为(AB)₂SiO₄的橄榄石硅酸盐，其中A为碱金属，且其中在电池运行过程中锂替代所述金属。