[发明专利]包封的阴极活性材料颗粒、含其的锂二次电池及制造方法

说明书

提供了一种用于锂电池的阴极活性材料的微粒，所述微粒包括一个或多个被高弹性聚合物的薄层包围或包封的阴极活性材料颗粒，所述高弹性聚合物具有不小于5％的可恢复拉伸应变、在室温下不小于10^‑6S/cm的锂离子电导率、以及从0.5nm至10μm的厚度，其中所述聚合物含有具有从0.5×10⁶至9×10⁶g/mol的分子量的超高分子量(UHMW)聚合物。所述UHMW聚合物优选地选自聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基醚丙烯酸酯)、其共聚物、其磺化衍生物、其化学衍生物、或其组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月10日提交的美国专利申请号15/483,342的优先权，所述专利申请通过援引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及可再充电锂电池领域，并且更具体地涉及锂电池阴极活性材料、阴极层、以及电池电芯、以及其制造方法。

背景技术

锂离子电池的单元电芯或结构单元典型地由阳极集流体、阳极或负电极层(含有负责在其中储存锂的阳极活性材料、导电添加剂和树脂粘合剂)、电解质和多孔隔膜、阴极或正电极层(含有负责在其中储存锂的阴极活性材料、导电添加剂和树脂粘合剂)和单独的阴极集流体构成。电解质与阳极活性材料和阴极活性材料都处于离子接触。如果电解质是固态电解质，则不需要多孔隔膜。

阳极层中的粘合剂用于将阳极活性材料(例如石墨或Si颗粒)和导电填充剂(例如炭黑颗粒或碳纳米管)粘合在一起以形成具有结构完整性的阳极层，并且将阳极层粘合到单独的阳极集流体上，所述阳极集流体起到在电池放电时从阳极活性材料收集电子的作用。换言之，在电池的负电极(阳极)侧，典型地包括四种不同的材料：阳极活性材料、导电添加剂、树脂粘合剂(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)或苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR))和阳极集流体(典型地是Cu箔片)。典型地，前三种材料形成单独的离散阳极活性材料层(或简称为阳极层)，并且后一种形成另一个离散层(集流体层)。

粘合剂树脂(例如PVDF或PTFE)也用在阴极中以将阴极活性材料和导电添加剂颗粒粘合在一起以形成具有结构完整性的阴极活性层。同一树脂粘合剂还起到将此阴极活性层粘合到阴极集流体(例如Al箔)上的作用。

历史上，锂离子电池实际上是从使用锂(Li)金属作为阳极和Li插层化合物(例如MoS₂)作为阴极的可再充电“锂金属电池”发展而来的。Li金属由于它的轻重量(最轻的金属)、高电负性(相对于标准氢电极为-3.04V)、以及高理论容量(3,860mAh/g)而是理想的阳极材料。基于这些出色的特性，40年前提出了锂金属电池作为用于高能量密度应用的理想体系。

由于纯锂金属的一些安全性问题(例如锂枝晶形成和内部短路)，石墨代替锂金属被实施为阳极活性材料以生产目前的锂离子电池。过去的二十年已经见证了Li离子电池在能量密度、倍率性能和安全性方面的持续改进。然而，在Li离子电池中使用基于石墨的阳极具有若干个明显的缺点：低比容量(理论容量为372mAh/g，对比Li金属的3,860mAh/g)，长Li插层时间(例如Li进入和离开石墨和无机氧化物颗粒的低固态扩散系数)需要长的再充电时间(例如对于电动车辆电池为7小时)，不能给予高脉冲功率(功率密度<0.5kW/kg)，以及需要使用预锂化阴极(例如锂钴氧化物，对比钴氧化物)，由此限制了可用阴极材料的选择。

进一步地，这些常用的阴极活性材料具有相对低的比容量(典型地<220mAh/g)。这些因素已造成了现今Li离子电池的两个主要缺点-低能量密度(典型地150-220Wh/kg_电芯)和低功率密度(典型地<0.5kW/kg)。此外，即使锂金属阳极已经被插层化合物(例如石墨)取代，并且因此锂离子电池中很小或没有锂枝晶问题，但是电池安全性问题仍没有消失。仍不缺少涉及锂离子电池着火或爆炸的事件。总的来说，三十多年来，电池科学家对锂离子电芯的低能量密度、不足的循环寿命以及可燃性感到沮丧！