[发明专利]具有高性能电解质和氧化硅活性材料的锂离子电池

说明书

改善的负极可以包含共混有石墨的硅系活性材料，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，负极包含与更有弹性的聚合物粘结剂混合的聚酰亚胺粘结剂与纳米尺度碳导电添加剂的共混物。已经配制了电解质，其提供在负极中包含氧化硅系活性材料与石墨活性材料的混合物的电池的延长的循环，所述负极可以与包含富含镍的锂镍锰钴氧化物的正极匹配，为电池提供基于硅负极活性材料的大容量电池的前所未有的循环性能。

相关申请的交叉引用

本申请要求Dong等2019年8月30日提交的具有相同名称的美国专利申请16/556,670的优先权，该美国专利申请要求Dong等2019年6月26日提交的名称为“实现非常长的循环寿命性能的具有高性能电解质和氧化硅活性材料的锂离子电池”的美国临时专利申请62/866,978的优先权，这两个申请都通过引用并入本文中。

联邦资助的研究与开发

本发明利用在美国能源部授予的美国先进电池联盟计划号：18-2216-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。

技术领域

本发明涉及利用电解质形成电池，已经发现所述电解质与结合了高容量氧化硅活性材料的负极一起工作，同时实现良好的循环性能。

背景技术

锂电池由于其较高的能量密度而广泛用于消费电子产品。对于一些目前的商业电池来说，负极材料可以是石墨，并且正极材料可以包括氧化钴锂(LiCoO₂)、氧化锰锂(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、氧化镍锂(LiNiO₂)、氧化钴镍锂(LiNiCoO₂)、氧化钴锰镍锂(LiNiMnCoO₂)、氧化铝钴镍锂(LiNiCoAlO₂)等。对于负极来说，钛酸锂是具有良好循环性质的石墨的替代品，但是其具有较低的能量密度。其他石墨的替代品比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由于与结构变化和异常大的体积膨胀有关的高的不可逆容量损失以及差的放电和再充电循环而在商业上不适用，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破坏电极的结构完整性，从而降低循环效率。

发明内容

在第一方面，本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池包括：

负极，所述负极包含约75重量％至约92重量％的活性材料、约1重量％至约7重量％的纳米尺度导电碳和约6重量％至约20重量％的聚合物粘结剂，其中所述活性材料包含约35重量％至约95重量％的氧化硅系材料和约5重量％至约65重量％的石墨；

正极，所述正极包含锂镍钴锰氧化物、导电碳和聚合物粘结剂，所述锂镍钴锰氧化物近似地由式LiNi_xMn_yCo_zO₂表示，其中x+y+z≈1，0.3≤x，0.025≤y≤0.35，0.025≤z≤0.35；

在所述负极和所述正极之间的隔体；

电解质，所述电解质包含约1M至约2M锂盐和非水溶剂，其中所述非水溶剂包含至少约5体积％的氟代碳酸乙烯酯(fluoroethylene carbonate)和至少约25体积％总量的碳酸二甲酯(dimethycarbonate)、碳酸甲乙酯(methylethylcarbonate)和碳酸二乙酯(diethylcarbonate)；以及

包封其他电池组件的容器。

在另一方面，本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池包括：