[发明专利]用于电池的快速充电的装置和方法

说明书

一种被配置用于对锂离子电池快速充电的负极，其包括负极基底和设置在所述负极基底表面上的涂层，所述涂层用于增加Li金属的超电势，以抑制在对用所述负极制造的锂离子电池进行极快速充电期间的Li金属镀层。通过将涂层施加到所述负极基底表面的方法来制造所述负极，所述涂层包括Cu纳米层，或Ni纳米层或Cu和Ni的复合纳米层。

政府支持声明

本发明是在美国能源部授予的DE-FOA-0001818和DE-EE0008356下由政府支持完成的。政府对本发明具有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请享有2018年1月17日提交的美国临时专利申请号62/618,116的申请日的权益。该临时申请的内容通过引用并入本申请。

技术领域

本发明广泛地涉及锂离子电池，更特别地，涉及一种用于快速充电的锂离子电池单元或电池，其包括负极，所述负极被形成用于增加Li金属成核和生长相对于未涂覆的负极表面(例如石墨)的超电势，从而在极快速充电期间抑制Li沉积(“金属镀层”)，同时仍促进Li离子扩散进入石墨基底。通过减缓Li镀层，具有如此制造的具有涂层的石墨负极的电池单元或电池满足EERE目标，即用10分钟快速充电方案以少于20％的比能衰减实现500次循环。涂层作为总体厚度在约2至200nm之间，优选在约2至10nm之间(例如，5nm)。

背景技术

目前生产的电动汽车(EV)依赖于锂离子电池技术的使用，这是由于其高能量和功率密度，以及与其他新兴体系如Li/S和Li/O₂相比其相对技术成熟度。Ahmed,S.,等人,Enabling fast charging-A battery technology gap assessment.Journal of PowerSources(2017)；367(Supplement C):p.250-262。然而，采用电动汽车面临的一个主要障碍是，目前使用的Li离子电池再充电时间(～30分钟)比给内燃机驱动的车辆加油所需的时间(10分钟)明显长。因此，开发可在约10分钟内(6C倍率)充电而不牺牲续航里程(range)、成本或循环寿命的Li离子电池对于EV的广泛实施至关重要。

阻止现有技术的Li离子电池极快速充电的主要障碍是在石墨负极处出现锂金属沉积或锂镀层，如Nitta,N.,等人,Li-ion battery materials:present andfuture.Mater.Today(Oxford,U.K.)(2015)；18(5):p.252-264所报道的。石墨负极在0.05-0.1V vs.Li/Li+的工作电势下工作，如以下文献所报道的：Waldmann,T.,等人,Interplayof Operational Parameters on Lithium Deposition in Lithium-Ion Cells:Systematic Measurements with Reconstructed 3-Electrode Pouch FullCells.Journal of The Electrochemical Society(2016)；163(7):p.A1232-A1238；Liu,Q.,等人,Understanding undesirable anode lithium plating issues in lithium-ionbatteries.RSC Adv.(2016)；6(91):p.88683-88700；Agubra,V.和J.Fergus,Lithium IonBattery Anode Aging Mechanisms.Materials(2013)6(4):p.1310。