[发明专利]可再充电电池

说明书

一种高能量密度、高功率锂金属阳极可再充电电池，其体积能量密度1000Wh/L和/或重量能量密度350Wh/kg，能够在室温下1C放电。

相关申请

本申请要求于2017年6月8日提交的共同未决的美国申请序列号62/347,361的优先权的权益，其内容通过引用并入本文。

通过引用并入

本文引用的所有专利、专利申请和出版物通过引用整体并入本文，以便更全面地描述本领域技术人员已知的截止本文所描述发明的日期的现有技术。

技术领域

该技术通常涉及非水电解质二次能量存储电池单元(cell)。特别地，本发明涉及高能量密度、高功率密度的可再充电锂电池(battery)。

背景技术

追求高能量密度是智能手机、可穿戴小工具和电动车辆的核心-这些装置正迅速成为我们身体的延伸。锂是元素周期表中最轻和最具电负性的金属，是阳极的自然选择。

历史上，使用金属锂或其合金作为负电极的非水二次(可再充电)电池单元是第一个能够生成高电压并具有高能量密度的可再充电电池单元。然而，很早以前就清楚的是，它们的容量在循环期间迅速下降，并且它们的可靠性和安全性被所谓的苔藓锂(mossylithium)和锂枝晶(lithium dendrite)的生长所削弱，在一定程度上将这些电池单元排除在消费市场之外。

在常规锂离子可再充电电池中，插层材料用作阴极和阳极两者。例如，阴极可以是LiFePO₄、LiCoO₂、镍钴锰氧化物(NCM)、镍钴铝氧化物(NCA)等，并且阳极可以是石墨和硅-石墨复合物。插层(intercalation)阳极仅提供锂离子的主体结构，并且不会有助于能量存储，并被认为是“自重(deadweight)”。阴极和阳极中的锂离子存储容量也需要“匹配”，并且在锂离子电池中，阴极容量设计为严格小于阳极容量(n/p比1)。这限制了锂离子的能量密度。现有技术的基于石墨阳极的锂离子电池可达到600Wh/L和220Wh/kg；并且最好的硅复合阳极锂离子电池可以达到800Wh/L和250Wh/kg。

在常规锂金属一次电池中，锂金属用作阳极。电池单元在充电状态中设计和制造，并且在其整个寿命期间仅有一次放电。由于电池单元处于充电状态，所以这在制造和运输期间存在安全问题。虽然一次锂金属电池具有高能量密度(～1000Wh/L和350Wh/kg)，但它们功率密度很低(典型地0.1C)，这限制了它们的应用。

在常规固态聚合物锂金属可再充电电池中，锂金属用作阳极，并且固体聚合物电解质用作分离器和电解质两者。锂金属典型地是具有60μm的厚度的独立式(freestanding)厚箔，固体聚合物电解质典型地是具有30μm的厚度的独立式厚膜。固体聚合物电解质具有有限的电化学稳定性窗口，这限制了电池单元的工作电压。因此，阴极典型地是低电压和低能量密度的LiFePO₄插层剂。固体聚合物电解质的电导率差也将其性能限制为大于80℃的高工作温度。虽然它可以达到大于300Wh/kg的良好的重量能量密度，但由于厚电解质和阳极以及低容量阴极，其体积能量密度提高受到限制。

在常规固态陶瓷锂金属可再充电电池中，锂金属或有时仅铜箔用作阳极，固体陶瓷材料(例如锂磷氧氮(LiPON)或诸如Li₃PS₄的硫化物基材料)被真空沉积在阳极上作为电解质和分离器两者。阴极容量设计为高于阳极容量(n/p比≤1)。例如，1μm的LiPON层被夹在致密的25μm厚的LiCoO₂之间(预期从这样的阴极镀覆8μm的锂)，与1μm的薄过量锂阳极配对，或者有时在没有过量锂的情况下仅与裸铜阳极配对。然而，这种薄陶瓷涂层需要真空沉积(诸如溅射、ALD或PLD)，将电池单元限制为薄膜微尺寸低容量电池，典型地是具有100mAh的容量的单层电池。

发明内容