[发明专利]用于具有高容量、微米级、体积变化的负极颗粒的金属离子电池单元的电解质

说明书

在一个实施方案中，金属离子电池单元包括负极电极、正极电极、隔膜以及将所述负极电极与所述正极电极进行离子耦合的电解质。所述负极电极是高容量电极(例如，在约2mAh/cm²至约10mAh/cm²的范围内)。所述电解质包含溶剂组合物，所述溶剂组合物包含在所述溶剂组合物的约10体积％至约80体积％范围内的低熔点(LMP)溶剂以及在所述溶剂组合物的约20体积％至约90体积％范围内的常规熔点(RMP)溶剂。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年9月11日提交的标题为“用于具有高容量、微米级、体积变化的负极颗粒的金属离子电池单元的电解质”的美国非临时申请第16/128,340号，以及于2017年9月12日提交的标题为“用于具有基于微米级体积变化的颗粒的高容量负极的电池单元的改进的液体电解质”的美国临时申请第62/557,416号的优先权，所述申请均明确地通过引用全部并入本文。

技术领域

本公开总的涉及能量存储装置，并且更特别地涉及电池技术等。

背景技术

部分地由于其相对高的能量密度、相对高的比能量、重量轻和潜在的长寿命，高级可再充电电池对于广泛的消费电子设备、电动车辆、电网存储和其它重要应用是理想的。

然而，尽管电池在商业上日益普及，但这些电池需要进一步的发展，特别是对于在低排放或零排放、混合电动车辆或全电动车辆、消费电子设备、可穿戴设备、节能货船和机车、无人机、航空航天应用和电网中的应用。特别地，对于多种可再充电电池，如可再充电锂电池和锂离子电池、可再充电钠电池和钠离子电池、可再充电钾电池和钾离子电池、可再充电钙电池和钙离子电池以及可再充电镁电池和镁离子电池，仅举几例，期望进一步的改进。

在锂电池和锂离子电池以及其它金属和金属离子电池的构造中，可以使用广泛的电解质组合物。然而，为了改善电池单元性能(例如，低且稳定的电阻、高循环稳定性、高倍率性能等)，需要针对负极和正极两者中特定类型和特定大小的活性颗粒以及特定工作条件(例如，温度、充电速率、放电速率、电压范围、容量利用率等)开发电解质的最佳选择。在许多情况下，电解质组分及其比值的选择并非不重要，而且可能违反直觉。

在某些类型的可再充电电池中，可将电荷存储负极材料制成高容量(纳米)复合材料粉末，其在第一次充电-放电循环期间表现出适当高的体积变化(例如，8体积％至180体积％)，在随后的充电-放电循环期间表现出中等的体积变化(例如，5体积％至50体积％)。这样的电荷存储负极颗粒的子集包括平均大小(例如，直径或厚度)在约0.2微米至约40微米的范围内的负极颗粒。这类电荷存储颗粒为可规模化制造和实现高电池单元-水平能量密度以及其它性能特征提供了很好的前景。不幸的是，这样的颗粒相对较新，并且其在使用常规电解质的电池单元中的使用可能导致相对较差的电池单元性能特征和有限的循环稳定性。当高容量(纳米)复合材料负极容量负载(面积容量)变为中等(例如，2mAh/cm²至4mAh/cm²)时，电池单元性能可能变得特别差，而当面积容量变高(例如，4mAh/cm²至10mAh/cm²)时，情况更是如此。然而，较高的容量负载有利于增加电池单元能量密度和降低电池单元制造成本。类似地，当这样的负极的孔隙率(例如，由电极中的(纳米)复合材料活性负极颗粒之间的间隔占据并填充有电解质的体积)变得适当小(例如，在第一次充电-放电循环之后为25体积％至35体积％)时，电池性能会降低，并且当负极的孔隙率变小(例如，在第一次充电-放电循环之后为5体积％至25体积％)时或者当电极中的粘合剂和导电添加剂的量变得适当小(例如，5重量％至15重量％)时，情况更是如此，并且当电极中粘合剂和导电添加剂的量变小时(例如，0.5重量％至5重量％)，情况更是如此。然而，较高的电极密度和较低的粘合剂和导电添加剂含量有利于增加电池单元能量密度和降低成本。较低的粘合剂含量还可能有利于提高电池单元倍率性能。