[发明专利]实现高容量、高能量密度和长循环寿命性能的锂离子电池的具有硅氧化物活性材料的电极

说明书

改善的负极可以包含与石墨共混的硅系活性材料，从而提供在高能量密度下的更稳定循环。在一些实施方案中，负极包含与更弹性的聚合物粘结剂混合的聚酰亚胺粘结剂的共混物以及纳米级碳导电添加剂。硅系共混石墨负极可以与包含富含镍的锂镍锰钴氧化物的正极匹配，从而形成具有良好循环性能的高能量密度电池。

相关申请的交叉引用

本申请要求Venkatachalam等在2018年4月9日提交的名称为“实现高容量、高能量密度和长循环寿命性能的锂离子电池的具有硅氧化物活性材料的电极”的美国专利申请15/948,160的优先权，该美国专利申请要求Venkatachalam等在2017年12月22日提交的名称为“实现高容量和长循环寿命性能的锂离子电池的具有硅氧化物活性材料的电极和得到的高能量密度电池”的美国临时专利申请62/609,930的优先权，二者均通过引用并入本文。

联邦资助的研究与开发

本发明利用美国能源部授予的美国先进电池联盟(United States AdvancedBattery Consortium)项目号：14-2141-ABC下的美国政府资助协议号：DE-EE0006250的政府支持完成。政府具有本发明中的一定权利。

发明领域

本发明涉及结合有高容量硅氧化物活性材料、同时实现良好循环能力的负极的形成。本发明还涉及电池，其由这些高容量长寿命周期负极组装为具有高能量密度的电池而得到。

发明背景

锂电池由于其较高的能量密度而被广泛地用于消费电子产品。对于一些目前的商业电池来说，负极材料可以为石墨，并且正极材料可以包括锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、锂镍氧化物(LiNiO₂)、锂镍钴氧化物(LiNiCoO₂)、锂镍钴锰氧化物(LiNiMnCoO₂)、锂镍钴铝氧化铝(LiNiCoAlO₂)等。对于负极来说，钛酸锂是具有良好循环性能的石墨的替代品，但是其具有较低的能量密度。其他石墨替代品如氧化锡和硅具有提供提高的能量密度的潜力。然而，已经发现一些高容量负极材料在商业上不适用，这是因为与结构变化和异常大的体积膨胀相关的高的不可逆容量损失以及差的放电和再充电循环，对于硅尤其如此，所述结构变化和异常大的体积膨胀与锂嵌入/合金化相关。结构变化和大的体积变化可能会破坏电极的结构完整性，从而降低循环效率。

发明概述

在第一方面，本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池包含负极，正极，在负极和正极之间的隔膜；电解质，所述电解质包含锂盐和非水溶剂；和容器，所述容器包封其他电池组件。负极可以包含约75重量％至约92重量％的活性材料、约1重量％至约7重量％的纳米级导电碳和约6重量％至约20重量％的聚合物粘结剂，其中活性材料可以包含约40重量％至约95重量％的硅氧化物系材料和约5重量％至约60重量％的石墨。在一些实施方案中，正极包含富含镍的锂镍钴锰氧化物、导电碳和聚合物粘结剂，所述富含镍的锂镍钴锰氧化物近似地由式LiNi_xMn_yCo_zO₂表示，其中x+y+z≈1，0.45≤x，0.025≤y≤0.35，0.025≤z≤0.35。

在另一个方面，本发明涉及一种用于锂离子电池的负极，所述负极包含约78重量％至约92重量％的活性材料、约1重量％至约7重量％的纳米级导电碳和约6重量％至约20重量％的聚合物粘结剂，其中所述聚合物粘结剂包含至少约50重量％的聚酰亚胺和至少约5重量％的弹性模量不大于约2.4GPa的不同的第二聚合物粘结剂。在一些实施方案中，不同的第二聚合物粘结剂具有至少约35％的伸长率。