[发明专利]锂离子电化学电池组、其组件及其制备和使用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请请求2013年3月12日提交的美国专利申请序列号13/797,281的优先权，后者要求2012年12月17日提交的美国临时专利申请序列号No.61/738,275的优先权，所述文献的公开内容通过引用以不与本公开内容相冲突的程度纳入本文。

发明领域

本发明一般涉及锂离子电化学电池(electrochemical cell)和锂离子电化学电池组件。更具体地，本发明涉及包含含氮化合物的锂离子电化学电池、其组件、包含电化学电池的电池组(battery)，和形成及使用所述电池组、电化学电池和组件的方法。

发明背景

由于锂离子电池组相比典型的可再充电电池组具有相对高的能量密度，以及停用时随时间的缓慢充电损失(loss of charge)，其已在消费性电子产品的应用和其它应用(包括国防、航空航天和车辆(例如电动汽车和混合动力汽车))中变得越来越普及。尽管对于多种应用而言，锂离子电池组的功效相对较好，但随着该电池组被放电和充电，尤其是采用锂作为阳极材料时，该电池组会显示寿命缩短和循环效率降低。

锂离子电池组一般包括一个或多个电化学电池，其中各电化学电池包含阳极、阴极、电解质和阳极与阴极之间的隔板(separator)。在电池组放电过程中，锂离子携带电流，从阳极至阴极，并且通过电解质和电化学电池的隔板。为对所述电池组进行充电，对该电池组施加足够偏压(bias)的外部电流源，以造成锂离子以相反方向流动——从阴极至阳极，并重新沉积在阳极上。

锂离子电化学电池可采用多种材料，如碳，作为阳极。然而，例如阳极，相较于例如锂碳夹层阳极(其中非电活性材料的存在增加了阳极的重量和体积，从而降低了电池的能量密度)而言，锂金属因其重量极轻且能量密度高，其在应用作为电化学电池的阳极方面可能特别具有吸引力。这些特征对于便携式电子装置(例如移动电话和便携式计算机，以及电动车辆、军用和航空航天应用)的电池组而言是高度需求的，在这些用途中重量轻是重要的。

但不幸的是，当锂金属用作锂离子电池组中的阳极时，在对电池进行重复的充电和放电之后，会在阳极表面出现逐步形成的细(finely)分散的具有大表面积的锂。具有大表面积的锂极具反应性，并且能够与电解质组分反应，或与成块阳极材料电隔离(electrically isolated)，这进而可负面影响锂离子电化学电池的循环效率和寿命。

因此，需要改进的具有锂阳极的锂离子电池，所述电池的组件，包含所述电池的电池组，以及形成和使用所述电池的方法。

发明内容

本发明一般涉及锂离子电化学电池和电池组，而更具体地，涉及包含锂阳极、阴极、电解质和一种或多种含氮化合物的锂离子电化学电池，所述一种或多种含氮化合物可以是可溶性的，相对固定的或者基本上固定的，或者基本上不溶的，本发明还涉及所述电池的组件以及包含所述电池的电池组。令人吃惊并预料不到地发现，向锂离子电化学电池添加含氮化合物能够改善放电和充电后的阳极形貌，并提高锂离子电化学电池和电池组的循环效率和寿命。

根据本发明的不同实施方式，锂离子电化学电池包含含锂阳极、阴极(例如，包含金属氧化物)、隔板、电解质、以及一种或多种含氮化合物——例如可溶的、基本固定的和/或基本不溶的含氮化合物，其可在初始的时候形成所述阳极、所述阴极、所述隔板和/或所述电解质中一种或多种的部分。在所述电化学电池的使用或循环过程中，含氮化合物可在锂阳极上形成均一的离子传导传导性表层。认为所述离子传导性表层的形成，通过抑制阳极上形成树枝状结晶和生长具有大表面积的锂，来促进锂在电池充电过程中在阳极上均一沉积。

根据所述实施方式的不同方面，所述含氮化合物选自下组：无机硝酸盐、有机硝酸盐/酯、无机亚硝酸盐、有机亚硝酸盐/酯、硝基化合物，和其它N-O以及胺化合物，如用胺、硝酸盐/酯、亚硝酸盐/酯或硝基官能团官能化的聚合物。根据所述实施方式的其它方面，所述含氮化合物主要被限制或受限于电池的具体区域(例如，阳极/电解质界面)。

限制含氮化合物(s)的活动性可能是有利的，因为可以相对较小量的含氮化合物获得所需结果(例如，提高的循环效率和延长的循环寿命)，同时减少其他原本可能会生成的任何气体。