[发明专利]改进锂离子电池的方法

说明书

发明背景

本发明涉及一种可充电的锂电池。更具体地说，本发明涉及一种可充电的锂电池，它由于增效钝化层的存在使之具有高热稳定性。

使用锂盐化的(lithiated)碳作为负极的非水电解质电池作为高能量密度电池已引起人们的注意。由于现在各种电子设备的尺寸缩小和重量减轻，各种电子设备对于高能量密度可充电电池作为能源已有需求。为了满足这一需求，对使用碳作为负极材料的锂离子可充电电池进行了许多研究工作。锂离子可充电电池通常含有非水电解质，其中锂盐溶于非水溶剂中；含有含活性材料的正极，该活性材料在局部化学上与锂反应。

当锂离子电池最初制成时，它处于已放电状态。在充电过程中，锂从正极放出，并进入碳负极。但是，一部分锂在副反应中被消耗掉，使负极表面被涂覆。形成的薄膜是很重要的，因为它阻止了与电极的进一步反应。在充电和放电过程中，Li⁺离子可自由地穿过这一薄膜。

这一薄膜称为钝化层。在已充电状态即锂盐化了的状态中，在可充电锂电池中使用的碳阳极与通常用于可充电电池体系的非水溶剂电解质有放热反应性。这一反应性通常在100至约150℃之间观测到。这一放热活性导致内部自热，而最终损坏电池。当暴露到约100℃以上的温度中时，在已充电状态中的锂离子电池趋向于自热。据认为，这种自热是由锂盐化的阳极和电解质之间的放热反应引起的。这样就使电池内部的温度上升到不安全的程度；在这种情况下，其他放热反应可能发生，可使温度甚至升得更高。在固体电解质界面(SET)处的这种钝化层有助于保护电池不受内部自热的损坏。

本发明的一个目的是提供一种提高了钝化层效果的方法，以致在已充电状态下，可提高可充电的锂离子电池的热稳定性。

从以下更全面的描述和权利要求中，其他一些目的和优点将变得很清楚。

发明概述

广义上，本发明涉及一种提高可充电锂电池热稳定性的方法，该可充电锂电池处于已充电状态，而一个电极或两个电极的表面上有钝化层。该法包括以下步骤：将已充电的锂电池在约20至约75℃下保持一段足以使钝化层的效果提高的时间，以提高现有钝化层的效果。

发明详述

在本发明方法的实施中，作为固体电解质界面的钝化层通过锂电池充电时发生的副反应在一个电极或两个电极的表面上形成。

将已充电的锂电池在约20至约75℃下老化一段足以使钝化层的效果提高的时间。

已充电的锂电池所保持的温度随所用的非水溶剂、所用的电解质以及阳极和阴极的组成变化。这些组成因素有助于决定贮存二次锂电池的最佳温度和时间。

一般来说，为了提高已充电锂电池钝化层的效果，可将已充电电池在约20至约65℃下保持约1小时至约两个月。

例如，当阳极为合成的或天然的石墨碳，阴极为锂盐化了的金属氧化物，电解质盐为六氟磷酸锂以及溶剂为碳酸乙烯酯时，充电后的电池可在约45至约60℃下贮存约1小时至72小时，以便提高钝化层的效果，从而提高可充电锂电池的热稳定性。

任何可充电锂电池，无论以前使用过或是第一次充电，其钝化层的效果都可通过本发明方法的实施来提高，从而提高电池的热稳定性。

为了有效地实施本发明的方法，在进行本发明的方法以前，电池必需充电到最大可容许电荷的10至约100％。例如，制造后处在已放电状态中，在实施本发明的方法以前，锂电池将充电到部分充电状态或完全充电状态。通常在约4.0至4.5伏下达到完全充电。部分充电到完全充电的10％那样少，即约0.4伏也是可能的。优选的是，将电池充电到中间电压，如约3.2至约4.0伏，然后将电池按本发明的方法老化。

本发明锂离子电池的负极为碳。任何适合形式的碳都可用于负极，如合成的或天然的石墨、中间相碳、软质或硬质无序碳等。所用碳的形式虽然对为提高锂电池的热稳定性所贮存的时间和温度有影响，但它并不重要，任何适合的碳都可使用。对于熟悉本专业的技术人员来说，适合的碳是大家熟悉的。

碳负极的支承物可选自任何适合的材料，如镍、铜、不锈钢、钛等。碳用适合的粘合剂如含氟树脂、聚偏二氟乙烯、乙烯-丙烯-二烯烃共聚物、苯乙烯-丁二烯橡胶、羧甲基纤维素等来固定到支承物上。

粘合剂如聚偏二氟乙烯的数量为正极或负极活性材料的约1至约20％(重量)、优选约5至约10％(重量)。导电的填充料如乙炔炭黑或石墨也可与粘合剂一起使用，其数量为粘合剂和电极活性材料的约1至约20％(重量)、优选约2至约5％(重量)。