锂离子电池部件制造技术

一种锂离子电池部件包括选自由集电器、负电极和多孔聚合物隔膜组成的组的支撑体。锂供体i)作为添加剂与非锂活性材料一起存在于集电器上的负电极中，或ii)作为涂层存在于负电极的至少一部分上，或iii)作为涂层存在于多孔聚合物隔膜的至少一部分上。锂供体的分子式选自由Li

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池部件
技术介绍
次级或可再充电锂离子电池通常用于许多固定和便携式装置中，例如在消费电子、汽车和航天工业中遇到的那些。锂离子类型的电池广受欢迎有很多原因，包括相对高的能量密度、与其它类型的可再充电电池相比一般不出现任何记忆效应、相对低的内阻、未使用时的低放电率，以及形成为各种形状(例如，棱柱形)和尺寸的能力以便有效地填充电动车辆、蜂窝电话和其他电子设备中的可用空间。此外，锂离子电池在其有用寿命内经历重复的功率循环的能力使得它们成为有吸引力和可靠的电源。
技术实现思路
一种锂离子电池部件包括选自由集电器、负电极和多孔聚合物隔膜组成的组的支撑体。锂供体i)作为添加剂与非锂活性材料一起存在于集电器上的负电极中，或ii)作为涂层存在于负电极的至少一部分上，或iii)作为涂层存在于多孔聚合物隔膜的至少一部分上。锂供体的分子式选自由Li8-yMyP4、Li10-yTiyP4、LixP和Li2CuP组成的组，其中Li8-yMyP4中的M是Fe、V或Mn，并且其中y在1至4的范围内；Li10-yTiyP4中的y在1至2的范围内；LixP中，0＜x≤3。附图说明通过参考以下详细描述和附图，本公开的实例的特征将变得显而易见，其中相同的附图标记对应于类似的但是可能不相同的元件。为了简洁起见，具有前述功能的附图标记或特征可以或可以不结合其中出现它们的其它附图来描述。图1是包括锂离子电池部件的实例的锂离子电池的实例的示意图，锂离子电池部件中的锂供体包括在负电极中；图2是在第一充电操作之后图1所示的示例性锂离子电池的示意图；和图3是包括锂离子电池部件的其它实例的锂离子电池的另一个实例的示意图，锂离子电池部件中的锂供体包括在负电极上或多孔聚合物隔膜上的涂层中。具体实施方式锂离子电池的纳米结构化负电极通常具有较大的表面积，导致较高的不可逆容量损失(IRCL)，部分原因在于形成固体电解质中间相(SEI)或形成不可逆相，其中任一种都消耗另外的活性锂。已经尝试多种方法来补偿SEI中的锂损失。作为一种示例性方法，额外容量可并入到电池的正电极上。然而，这种方法降低了电池的能量密度，并且潜在地导致在负电极上的不期望的锂电缓。作为另一种方法，可以使用电池的元件的预锂化。预锂化为元件提供额外的锂离子。预锂化的一个实例涉及将稳定的锂离子颗粒喷射到电池的电极上。然而，由于锂离子颗粒和典型的电极材料之间的颗粒尺寸不匹配，可能存在未涂覆的电极的空隙，这可能导致电极的非均匀性。电极非均匀性可能不利于电池性能。此外，在该预锂化过程期间形成热能，这增加了大规模生产期间电池的复杂性和成本。具体地，由于锂离子对水和/或氧的敏感性，喷射过程需要干燥的环境条件。其它预锂化方法包括通过热蒸发或溅射工艺在电池的隔膜上施加薄的锂涂层。这些方法是昂贵的，并且还部分地由于锂金属和电极之间的直接接触而产生大量热能，特别是在具有大电池单元(例如，＞2Ah电池单元)的电池中。另一种预锂化方法包括通过电化学沉积对电极进行预锂化。然而，该方法可以利用过量的电解质。本公开的锂离子电池部件的实例将锂供体结合到负电极中或多孔聚合物隔膜的表面上。锂供体是空气稳定的高锂含量合金/磷化合物，其使锂离子电池的预锂化成为可能。通过锂供体进行的电池的预锂化还可以改善电池的容量保持、能量密度和耐用性，这导致延长的电池寿命周期和/或驱动范围(例如，用于混合动力或电动车辆)。该锂供体也适合于大规模生产。本公开的锂供体的分子式选自由Li8-yMyP4、Li10-yTiyP4、LixP和Li2CuP组成的组，其中Li8-yMyP4中的M是Fe、V或Mn，并且y在1至4的范围内；Li10-yTiyP4中的y在1至2的范围内；LixP中，0＜x≤3。锂供体的一些具体实例包括Li7MnP4(即Li8-yMyP4，其中M为Mn且y为1)，Li5.5Mn2.5P4(即Li8-yMyP4，其中M为Mn且y为2.5)，Li7VP4即Li8-yMyP4，其中M为V且y为1)，Li3P(即LixP，其中x＝3)和Li9TiP4(即Li10-yTiyP4，其中y为1)。已经提出了这些材料中的几种作为负电极活性材料。然而，已经发现，尽管这些材料可以递送高容量(例如，可以递送2596mAh/g的理论容量的Li3P)，但是包括这些材料的负电极的寿命周期是可忽略的。例如，Li7MnP4可以在C/20速率的第一循环期间递送1000mAh/g，但是在第4个循环时容量快速降低至420mAh/g。已经发现，由于快速容量衰减，该材料不适合用于负电极活性材料，但是其第一循环容量可以用于预锂化过程。在本公开的实例中，将锂供体作为添加剂引入负电极中或者位于负电极或多孔聚合物隔膜的表面上，使得其在形成循环期间将锂输送到负电极。可以在化学合成和/或其机械工程期间调整锂供体的粒度(即，球形颗粒的直径和非球形颗粒的平均直径)。在本公开的实例中，可调整锂供体粒度以使添加到电池中的锂的量被最大化，同时对总电池体积具有最小的影响。在一个实例中，锂供体粒度范围为约10nm至约50μm。如前所述，将锂供体作为添加剂引入负电极中或者位于负电极或多孔聚合物隔膜的表面上。图1和图2示出了在负电极中掺入作为添加剂的锂供体的锂离子电池部件，且图3示出了锂负电极位于负电极表面或多孔聚合物隔膜表面上的涂层的锂离子电池部件。具体参考图1，锂离子电池部件11包括支撑体13和在支撑体13上的负电极12。在该实例中，支撑体13是与负电极12电连通的负侧集电器18。负侧集电器18可以由导电材料形成，例如铜箔或可以用作锂离子电池10的负端子的另一种金属。负电极12包括非锂活性材料22和锂供体24。非锂活性材料22的实例包括i)碳基材料；ii)硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)或镉(Cd)；iii)硅、锗、锡、铅、锑、铋、锌、铝、钛、铁(Fe)、锰(Mn)或镉与其它元素的合金或金属间化合物(其中合金或化合物是化学计量的或非化学计量的)；iv)硅、锗、锡、铅、锑、铋、锌、铝、铁、钛、锰、钴或镉的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物或碲化物或其混合物或复合物；和v)i、ii、iii和/或iv的任意组合。合适的碳基材料的一些具体实例包括碳、中间相碳、软碳、硬碳、炭黑、活性炭、天然石墨、人造石墨、热解石墨、剥离石墨薄片、蠕虫状石墨、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、碳纤维、石墨纤维、石墨晶须和焦炭。本公开前述的锂供体24的任何实例可以用于负电极12。在一个实例中，非锂活性材料22可以以大于负电极12的总重量％的0重量％至约98重量％的量存在，并且锂供体24可以以大于负电极12的总重量％的0重量％至约50重量％的量存在。负电极12的剩余部分可以是粘合剂(0重量％至约20重量％)和/或导电填料(0重量％至约20重量％)和/或各种其它功能添加剂(例如，粘度调整剂等)。粘合剂可用于在结构上将非锂活性材料22和锂供体24保持在一起。粘合剂的实例包括聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚环氧乙烷(PEO)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、羧甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、苯乙烯-丁二烯橡胶羧甲基纤维素(SBR-CMC)、聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池部件，其包括：支撑体，其选自由集电器、负电极和多孔聚合物隔膜组成的组；和锂供体，其i)作为添加剂与非锂活性材料一起存在于所述集电器上的负电极中，或ii)作为涂层存在于所述负电极的至少一部分上，或iii)作为涂层存在于所述多孔聚合物隔膜的至少一部分上，所述锂供体的分子式选自由Li

【技术特征摘要】
2015.12.17 US 14/9733561.一种锂离子电池部件，其包括：支撑体，其选自由集电器、负电极和多孔聚合物隔膜组成的组；和锂供体，其i)作为添加剂与非锂活性材料一起存在于所述集电器上的负电极中，或ii)作为涂层存在于所述负电极的至少一部分上，或iii)作为涂层存在于所述多孔聚合物隔膜的至少一部分上，所述锂供体的分子式选自由Li8-yMyP4、Li10-yTiyP4、LixP和Li2CuP组成的组，Li8-yMyP4中的M是Fe、V或Mn，并且其中y在1至4的范围内；Li10-yTiyP4中的y在1至2的范围内；LixP中，0＜x≤3。2.根据权利要求1所述的锂离子电池部件，其中：所述锂供体作为添加剂与所述非锂活性物质一起存在于所述集电器上的负电极中；所述非锂活性材料以所述负电极的总重量％的大于0重量％至约98重量％的量存在；所述非锂活性材料选自由以下组成的组：i)碳基材料；ii)硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)或镉(Cd)；iii)硅、锗、锡、铅、锑、铋、锌、铝、钛、铁(Fe)、锰(Mn)或镉与其它元素的合金或金属间化合物；iv)硅、锗、锡、铅、锑、铋、锌、铝、铁、钛、锰、钴或镉的氧化物，碳化物，氮化物，硫化物，磷化物，硒化物或碲化物；和v)i，ii，iii和iv的任意组合；和所述锂供体以所述负电极的总重量％的大于0重量％至约50重量％的量存在。3.根据权利要求1所述的锂离子电池部件，其中所述锂供体选自由Li7MnP4、Li5.5Mn2.5P4、Li7VP4、Li9TiP4和Li2CuP2组成的组。4.根据权利要求1所述的锂离子电池部件，其中所述锂供体作为所述涂层存在于所述多孔聚合物膜的所述表面的至少一部分上。5.一种锂离子电池，其包括：正电极；负电极；多孔聚合物隔膜，其位于所述正电极和所述负电极之间；和锂供体，其作为添加剂与非锂活性材料一起存在于所述负电极中，或作为涂层存在于所述负电极的至少一部分上，或作为涂层存在于所述多孔聚合物隔膜的面向所述负电极的表面的至少一部分上，所述锂供体选自由Li8-yMyP4、Li10-yTiyP4...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·R·小鲍威尔，M·姜，JH·金，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US