[发明专利]预锂化的锂离子电池单元

说明书

技术领域

本公开涉及锂离子电池单元以及制造该锂离子电池单元的工艺。

背景技术

锂离子电池呈现了可再充电电化学存储技术。归因于由锂离子电池提供的电化学电位和理论容量，所述技术显示了关于动力传动系统的电气化以及提供固定式存储解决方案以能够有效使用可再生能源的前景。锂离子电池通过正极、负极以及连接并分开两个电极的电解质的方法来产生电力。锂离子经由电解质从一个电极迁移到另一个电极，同时相关的电子被集流体收集并可以用作电子设备的能量源。然而，在首次向电池施加充电电流时，在负极上形成固体电解质界面(SEI)层。首个充电循环通常遵循复杂的协议，以增强电池的性能、增加电池的循环和提高电池的使用寿命。SEI的形成对于电池的正确功能是必要的，但是SEI的形成与电池中的可循环锂的损耗相关联，这导致电池的容量被耗尽。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种锂离子电池单元。所述电池单元包括负极、正极以及正极上的牺牲含锂材料。牺牲含锂材料被构造为响应于将充电电流首次施加到所述电池单元而分解。所述分解释放锂离子以借助于锂离子在负极的与正极相邻的表面上的反应促进固体电解质界面的形成。牺牲含锂材料可以布置在正极与正极集流体之间。可选择地，牺牲含锂材料可以布置在正极与隔膜之间。牺牲含锂材料可以是被构造为响应于首次施加充电电流而分解成气体和锂离子的锂被氧化的化合物(oxidized lithium compound)。锂被氧化的化合物可以是过氧化锂。电池单元还可以包括催化剂，所述催化剂被构造为初始化牺牲含锂材料的分解。催化剂可以是四氧化钴。牺牲含锂材料的量可以对应于在首次电池单元充电循环期间被固体电解质界面的形成所消耗的锂的理论量。

在可选择的实施例中，公开了另一种锂离子电池单元。所述电池单元包括负极以及包含牺牲含锂材料的正极。所述牺牲含锂材料被构造为响应于向所述电池单元首次施加充电电流而分解。所述分解释放锂离子以经由锂离子在负极的与正极相邻的表面上的反应促进形成固体电解质界面。牺牲含锂材料可以是被构造为响应于首次施加充电电流而分解成气体和锂离子的锂被氧化的化合物。正极可以包括空腔，所述空腔中的至少一些可以包含牺牲含锂材料。电池单元还可以包括催化剂，所述催化剂被构造为初始化牺牲含锂材料的分解。催化剂可以是四氧化钴。牺牲含锂材料的量可以对应于在首次电池单元充电循环期间被固体电解质界面的形成所消耗的锂的理论量。

在又一个实施例中，公开了一种锂离子电池单元。所述电池单元包括负极以及具有用牺牲含锂材料浸渍的多孔结构的正极。所述牺牲含锂材料可以被构造为响应于向所述电池单元首次施加充电电流而分解以释放锂离子，以经由锂离子在负极的与正极相邻的表面上的反应促进固体电解质界面的形成。牺牲含锂材料的量可以对应于在首次电池单元充电循环期间被固体电解质界面的形成所消耗的锂的理论量。牺牲含锂材料可以是被构造为响应于首次施加充电电流而分解成气体和锂离子的锂被氧化的化合物。锂被氧化的化合物可以是过氧化锂。牺牲含锂材料的分解可以增大正极的多孔结构内的孔隙的体积。电池单元还可以包括催化剂以初始化牺牲含锂材料的分解。

附图说明

图1描绘了根据一个或更多个实施例的在充电和放电期间通过电解质的锂离子迁移以及锂离子电池单元内的嵌入原理的示意图；

图2显示出在负极上具有固体电解质界面的示例性锂离子电池单元的示意图；

图3A描绘了包括位于正极与集流体之间的牺牲含锂材料的示例性锂离子电池单元的示意图；

图3B描绘了包括与正极相邻的牺牲含锂材料的示例性锂离子电池单元的示意图；

图4A示出了包括活性材料、存储材料和牺牲含锂材料的示例性多孔正极材料；

图4B示出了沿图4A的线4B-4B截取的剖视图，所述剖视图显示出孔隙内的牺牲含锂材料被封闭在正极材料内；

图4C示出了沿图4A的线4C-4C截取的剖视图，所述剖视图显示出封闭在正极材料内的孔隙不含牺牲含锂材料；

图5描绘了示出针对不同首次循环损耗百分比实现最终孔隙率所需的电极压实密度的多个曲线；

图6显示了示出在首次循环损耗固定在20％的情况下改变活性材料与牺牲含锂材料的比容量的比的影响的若干曲线；

图7是示出不含牺牲含锂材料的电极A和含有作为牺牲含锂材料的Li₂O₂的电极B的电压分布的曲线图；