具有长循环寿命的高体积能量密度锂电池制造技术

编号:201580058822 阅读:40 评论( 0 )

本发明专利技术提供了电池电解质溶液,其含有锂盐、碳酸二乙酯、以及碳酸4‑氟亚乙酯和碳酸亚乙酯中的至少一种。即使用于阴极材料具有相对于Li/Li

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1 技术实现步骤摘要

【国外来华专利技术】具有长循环寿命的高体积能量密度锂电池
本专利技术涉及锂电池。
技术介绍
锂电池广泛用作车辆以及许多类型的电子设备的一次电池和二次电池。这些电池趋于具有高能量和功率密度,并且因此在许多应用中是有利的。原则上,可通过提高电池的工作电压来增加电池的能量和功率密度。为此,已开发了具有4.5V或更多的工作电位(相对于Li/Li+)的阴极材料。然而,较高的工作电位使锂电池电解质溶液中常用的许多组分降解。例如,碳酸亚乙酯被非常地广泛用作锂电池中的电池电解质溶剂,但在这些较高电压下并非电化学稳定的。电化学不稳定性导致电池性能问题,例如容量衰减、电压衰减、倍率性能差、安全性差、高温性能差和高温电池寿命差。因此,本领域需要开发性能更好的高能量密度电池。具体实施方式本专利技术在一个方面是电池,所述电池包括阳极、包括锂镍锰钴氧化物阴极材料的阴极、以及各自设置在阳极和阴极之间的隔膜和电池电解质溶液,其中所述电池电解质溶液包括溶解于溶剂混合物中的锂盐,所述溶剂混合物包括碳酸二乙酯、以及碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯中的至少一种,其中碳酸二乙酯与碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯的体积比为至少85∶15,并且碳酸二乙酯、碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯一起构成溶剂混合物的至少80体积百分比。本专利技术的电池显示出非常高的体积能量密度。它们也显示出极佳的循环稳定性。它们在大量充电/放电循环中保持高电压和容量。它们显示出在高放电率下非常好的性能,并且在高温使用和储存条件下表现良好。阴极包括至少一种锂镍锰钴氧化物阴极材料。合适的锂镍锰钴氧化物阴极材料包括由式LixNi(1-a-b)MnaCobO2表示的那些,其中0.05≤a≤0.9,0.05≤b≤0.8,a+b≤0.95并且x为1至1.4。更优选地,0.1≤a≤0.5,0.1≤b≤0.5并且a+b≤0.8;在这种实施例中,a+b小于或等于0.6或者小于或等于0.4。在一些实施例中,x优选为1.005至1.3,更优选1.01至1.25或1.01至1.15。阴极材料优选为相对于Li/Li+具有至少4.5V的工作电压的阴极材料。在一些实施例中,当以0.05C的速率从4.6伏放电到2伏时,阴极材料展示至少250mAh/g的比容量。阴极材料可为有时称为富锂金属氧化物或富锂层状氧化物(各自在本文中由首字母缩略词LRMO鉴定)的一类锂镍锰钴氧化物。这些材料一般展示具有单斜和菱方晶域的层状结构。当充电至相对于Li/Li+约4.6伏的电压时,它们可具有270mAh/g或更多的初始比放电容量。合适的LRMO阴极材料包括美国专利号5,993,998、6,677,082、6,680,143、7,205,072、7,435,402和8,187,752;日本未审查专利号11307094A;EP专利申请号1193782;Chem.Mater.23(2011)3614-3621;和J.Electrochem.Soc.,145∶12,Dec.1998(4160-4168)中描述的那些。阴极材料还可含有少量改善一种或多种性质的阴离子掺杂剂,其例子是氟。阴极材料优选以颗粒的形式提供,如使用激光方法测量的,所述颗粒具有10nm至250μm,优选50nm至50μm的粒径。除上述阴极材料之外,阴极还可包括一种或多种另外的成分,例如粘结剂、导电颗粒、保护涂层等等。阴极可例如通过下述形成:将阴极材料的颗粒与粘结剂材料、载液和任选的一种或多种阴极导电材料(例如炭黑、活性炭、金属等等)的颗粒混合,浇铸所得到的混合物,然后去除载液。保护涂层可在形成阴极之前施加于阴极材料本身和/或施加于整个阴极。阴极材料和/或阴极可涂覆有例如非离子导电固体,例如磷酸锂、硫化锂、钛酸锂镧,如US2011-0081578中所述,和/或涂覆有涂层例如Al2O3、La2O3或AlF3。如US2007-0281212中所述,阴极可具有含有稳定的铵磷、钛、硅、锆、铝、硼和/或氟原子的蚀刻表面。合适的阳极材料包括例如碳质材料例如天然或人造石墨、碳化沥青、碳纤维、石墨化中间相微球、炉黑、乙炔黑和各种其他石墨化材料。碳质材料可使用粘结剂例如聚(偏二氟乙烯)、聚四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、异戊二烯橡胶、聚(乙酸乙烯酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚乙烯或硝化纤维素结合在一起。合适的碳质阳极及其构建方法在例如美国专利号7,169,511中描述。其他合适的阳极材料包括锂金属、硅、锡、锂合金和其他锂化合物如钛酸锂。在优选实施例中,阳极和阴极材料一起加以选择,以对电池提供至少4.5V的工作电压。电池电极各自一般与集电器电接触或在集电器上形成。用于阳极的合适的集电器由金属或金属合金例如铜、铜合金、镍、镍合金、不锈钢等等制成。用于阴极的合适集电器包括由铝、钛、钽、这些中的两种或更多种的合金等等制成的那些。隔膜插入阳极和阴极之间,以防止阳极和阴极彼此接触并发生短路。隔膜方便地由非导电材料构成。在操作条件下,它不应与电解质溶液或电解质溶液的任何组分反应,或者在电解质溶液或电解质溶液的任何组分中溶解。聚合物隔膜一般是合适的。用于形成隔膜的合适聚合物的例子包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯-1、聚-3-甲基戊烯、乙烯-丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚醚砜等等。电解质溶液必须能够透过隔膜。为此,隔膜一般是多孔的,采取多孔片、非织造织物或织造织物等等的形式。隔膜的孔隙率一般为20%或更高,最多高达90%。优选的孔隙率为30至75%。孔在其最长尺度上一般不大于0.5μm,且优选最多0.05μm。隔膜一般为至少一μm厚,并且可最多50微米厚。优选的厚度为5至30μm。电池电解质溶液包括溶解于溶剂混合物中的锂盐。锂盐可为适合于电池使用的任何一种,包括无机锂盐例如LiAsF6、LiPF6、LiB(C2O4)2、LiBF4、LiBF2C2O4、LiClO4、LiBrO4和LiIO4,以及有机锂盐例如LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiN(SO2C2F5)2和LiCF3SO3。LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3和LiN(SO2CF3)2是优选类型,并且LiPF6是尤其优选的锂盐。锂盐适当地以至少0.5摩尔/升电解质溶液,优选至少1.0摩尔/升,更优选至少1.15摩尔/升,最多3摩尔/升,更优选最多1.5摩尔升,且再更优选最多1.3摩尔/升的浓度存在。尤其优选的量为至少1.15摩尔/升,尤其是1.15至1.3摩尔/升。这些稍高浓度的锂盐可增强电解质溶液的电导率(与较低浓度相比),这可补偿由于碳酸亚乙酯的低浓度和碳酸二乙酯的高浓度的电导率降低。溶剂混合物包括碳酸二乙酯、以及碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯中的至少一种,其中碳酸二乙酯与组合的碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯的体积比为至少85∶15,并且碳酸二乙酯、碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯一起构成溶剂混合物的至少80体积百分比。为了本专利技术的目的,溶剂混合物视为包括除了锂盐之外的电解质溶液的所有组分。在一个具体实施例中,溶剂混合物含有以85∶15至98∶2的体积比的碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯,并且碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯一起构成溶剂混合物的至少90体积百分比。在另一个具体实施例中,溶剂混合物含有以93∶7至98∶2本文档来自技高网...【详细说明在详细技术资料中】

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2 技术保护点

一种电池,所述电池包括阳极、包括锂镍锰钴氧化物阴极材料的阴极、以及各自设置在所述阳极和阴极之间的隔膜和电池电解质溶液,其中所述电池电解质溶液包括溶解于溶剂混合物中的锂盐,所述溶剂混合物包括碳酸二乙酯、以及碳酸4‑氟亚乙酯和碳酸亚乙酯中的至少一种,其中所述碳酸二乙酯与碳酸4‑氟亚乙酯和碳酸亚乙酯的体积比为至少85∶15,并且所述碳酸二乙酯、碳酸4‑氟亚乙酯和碳酸亚乙酯一起构成所述溶剂混合物的至少80体积百分比。

3 技术保护范围摘要

【国外来华专利技术】2014.11.11 US 62/0782651.一种电池,所述电池包括阳极、包括锂镍锰钴氧化物阴极材料的阴极、以及各自设置在所述阳极和阴极之间的隔膜和电池电解质溶液,其中所述电池电解质溶液包括溶解于溶剂混合物中的锂盐,所述溶剂混合物包括碳酸二乙酯、以及碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯中的至少一种,其中所述碳酸二乙酯与碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯的体积比为至少85∶15,并且所述碳酸二乙酯、碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯一起构成所述溶剂混合物的至少80体积百分比。2.根据权利要求1所述的电池,其中所述溶剂混合物含有以85∶15至98∶2的体积比的碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯,并且所述碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯一起构成所述溶剂混合物的至少90体积百分比。3.根据权利要求2所述的电池,其中所述溶剂混合物含有以93∶7至98∶2的体积比的碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯,并且所述碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯一起构成所述溶剂混合物的至少90体积百分比。4.根据权利要求2或3所述的电池,其中所述碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯一起构成所述溶剂混合物的至少95体积百分比。5.根据权利要求4所述的电池,其中所述碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯一起构成所述溶剂混合物的至少99体积百分比。6.根据权利要求1所述的电池,其中所述溶剂混合物含有以85∶15至98∶2的体积比的碳酸二乙酯和碳酸4...

4 专利技术属性

发明(设计)人:W·刘前田英明沼田光一J·马Y·高M·谢瓦纳雅格姆IF·胡
申请(专利权)人:陶氏环球技术有限责任公司
专利类型:发明
专利号:201580058822
国别省市:美国,US

5 专利技术项目评估

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