锂基电池组的电化学电池制造技术

本发明专利技术形成了一种电化学电池。所述电池包括与锂离子可渗透的负电极集流体相接触的非锂负电极和与锂离子可渗透的正电极集流体相接触的正电极。所述非锂负电极和所述正电极是锂离子可渗透的。所述电池还具有包括锂离子的锂源电极。相应的微孔聚合物隔膜设置于所述锂源电极与所述负电极和所述正电极中的每一者之间；或第一隔膜设置于所述锂源电极与所述负电极和所述正电极中的一者之间，并且第二隔膜设置于所述负电极与所述正电极之间。将电解质引入电化学电池中。将电压电势施加至所述电化学电池上，以利用来自所述锂源电极的锂离子预锂化所述非锂负电极和正电极中的任一者。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
二次或可再充电的锂离子电池组通常用于多种固定和便携式装置，例如，在消费型电子、汽车和航天工业中遇到的那些装置。锂类型的电池组因多种原因得到普及，包括相对高的能量密度、与其它种类的可再充电电池组相比时一般不出现任何记忆效应、相对低的内阻和不使用时的低自放电率。锂电池组在其它使用寿命期间经历重复的功率循环的能力使其成为一种引人注目的并可靠的电源。
技术实现思路
形成电化学电池。电化学电池包括与锂离子可渗透的负电极集流体接触设置的非锂负电极。同样，电化学电池包括与锂离子可渗透的正电极集流体接触设置的正电极。非锂负电极和正电极是锂离子可渗透的。电化学电池也具有包括锂离子的锂源电极。将相应微孔聚合物隔膜置于锂源电极与非锂负电极和正电极中每一者之间；或将第一微孔聚合物隔膜置于锂源电极与非锂负电极和正电极中的一者之间，及将第二微孔聚合物隔膜置于非锂负电极与正电极之间。将电解质引入电化学电池中。将电压施加于电化学电池上以利用来自锂源电极的锂离子预锂化非锂负电极和正电极中的任一者。本文所公开的电化学电池的实例可形成锂离子电池组或锂硫电池组。附图说明本专利技术的实例的特征通过参考以下详细说明和图式而将变得显而易见，其中同样的参考数字对应于类似的但可能不相同的部件。为了简洁起
见，具有前述功能的参考数字或特征可或不可连同其出现在其中的其它图式而加以描述。图1为本文所公开的电化学电池的一个实例的横截面图；图2为本文所公开的电化学电池的另一个实例的横截面图；图3为本文所公开的在电化学电池中包括两个子电池的电化学电池的实例的横截面图；图4为本文所公开的在电化学电池中包括两个子电池的电化学电池的另一个实例的横截面图；图5为包括锂化正电极和负电极的电化学测试电池的结构的示意图；图6包括分别说明三对不同电极的电压随时间的差异的三个图；及图7包括分别说明图5的电化学测试电池中一个电极的阻抗相对于图5的电化学测试电池中另一个电极的阻抗的五个图。具体实施方式锂基电池组通常通过使锂离子在负电极(有时称为阳极)与正电极(有时称为阴极)之间可逆地传递来进行操作。负电极和正电极位于浸泡有适于传导锂离子的电解质溶液的微孔聚合物隔膜的相对侧上。每个电极也与相应集流体相关联，所述集流体通过允许电流在负电极与正电极之间传递的可中断的外电路连接。另外，可将参考电极引入锂基电池组中以监测正电极、负电极或两种电极的电荷状态。在一些情况中，在形成功能性锂基电池组之前，负电极通过将负电极添加到浸在电解质中的半电池进行预锂化。将电压施加到半电池上以完成负电极的预锂化。当负电极在半电池中预锂化时，包括额外的制造步骤以形成锂基电池组。额外步骤包括从半电池移动负电极，及接着清洗、干燥负电极、并将负电极放在包括上述其它部件的锂基电池组中。形成全电池的额外步骤可增加生产成本，并也可通过将负电极暴露于空气中的湿气或氧气而减小锂基电池组的寿命循环。在插入全电化学电池前，负电极也可
能在清洗和干燥过程期间损坏。此外，在形成锂基电池组的额外步骤期间，可能难以将负电极移向电池组。这是部分地在预锂化期间因负电极活性材料的大体积膨胀导致的负电极的变形所造成的。已发现具有高比容量的负电极活性材料(例如，硅颗粒)在负电极于半电池中的预锂化(即，初始充电)期间也具有大体积膨胀。在预锂化期间负电极活性材料所经历的大体积变化(例如，约300％)引起负电极活性材料膨胀。负电极活性材料的膨胀可引起负电极变形。举例而言，变形可改变负电极的曲率。负电极的变化曲率可使电极更难以转移到锂基电池组中。为了形成本文中的电化学电池的实例，方法包括形成电化学电池，其可原位预锂化以形成锂离子或锂硫电池组。所述电化学电池包括非锂负电极和正电极，其为锂离子可渗透的。在方法开始时(即在预锂化前)，在一些情况中，电极不包括锂。部分地由于非锂电极的锂离子渗透性，可进行原位预锂化。原位预锂化消除进行任何额外制造步骤的需求以形成全电化学电池(例如，锂基电池组)。通过消除任何额外的制造步骤，部分地因为未暴露于空气中的氧气或湿气，所以可延长锂基电池组的寿命周期。此外，原位预锂化消除了先前提及的在半电池中的预锂化后进行的清洗和干燥过程，因此消除由此导致的变形的可能性。在本文所公开的方法的实例中，可形成电化学电池10。图1中展示可形成的电化学电池10的实例。在此实例中，电化学电池10包括与锂离子可渗透的负电极集流体14接触的非锂负电极12。电化学电池10也包括与锂离子可渗透的正电极集流体22接触的正电极20、20’。电化学电池10进一步包括锂源电极16，其中第一微孔聚合物隔膜18A和第二微孔聚合物隔膜18B置于锂源电极16与非锂负电极12和正电极20、20’中的每一者之间。在实例中，非锂负电极12包括含有非锂的负活性材料。含有非锂的负活性材料不含锂。在实例中，负活性材料可选自由以下各者组成的群组：石墨或另一种导电碳、焦炭、软碳、硬碳、无定形碳、硅、铝、锡、或Si、Al、和/或Sn的合金、硅-碳复合物、氧化硅(例如，SiOxx＜2)、氧化锡和
氧化钛。导电碳的一些实例包括天然石墨，例如鳞状石墨、片状石墨和其它类型的石墨；由例如石油焦炭、煤焦炭、纤维素、多糖和中间相沥青得到的高温烧结的碳产品；人造石墨，包括热解石墨；碳黑，例如乙炔黑、炉黑、科琴碳黑、槽黑、灯黑和热裂黑；柏油沥青、煤焦油、活性碳、中间相沥青和聚乙炔。应了解，非锂负电极12为锂离子可渗透的。此渗透性是部分地由负活性材料所致的，其虽然不是由锂形成，但为锂离子可渗透的。此外，非锂负电极12可为多孔的，且孔可允许锂离子渗透负电极12。非锂负电极12可进一步包括粘合剂和导电性填料。可包括粘合剂以有助于将负活性材料粘附在一起及有助于将非锂负电极12粘附到锂离子可渗透的负电极集流体14。粘合剂材料的选择可以宽泛地变化，只要其对于负电极12中的其它材料是惰性的。用于非锂负电极12的粘合剂的一些实例可包括聚四氟乙烯、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)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯-丁二烯橡胶羧甲基纤维素(SBR-CMC)、聚丙烯酸(PAA)、交联的聚丙烯酸-聚乙烯亚胺、聚酰亚胺、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、二乙烯基醚或技术人员已知的任何其它合适的粘合剂材料。其它合适的粘合剂包括聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠或其它水溶性粘合剂。可包括导电性填料以确保锂离子可渗透的负电极集流体14与负活性材料之间的电子传导。导电性填料的一些实例可为高表面积碳，例如乙炔黑(即，碳黑)。合适的导电性填料的其它实例包括石墨烯、石墨、碳纳米管、活性碳纤维、非活性碳纤维、金属片、金属粉末、金属纤维、碳织物、金属网和导电聚合物。在又另一个实例中，使用导电性填料(例如碳黑和碳纳米纤维)的组合。不含锂的负电极12可通过将电极组分的浆料施用于锂离子可渗透的负电极集流体14，然后干燥浆料以形成不含锂的负电极12而形成。在一实例中，将电极组分的浆料施用到锂离子可渗透的负极集流体14的两侧。在另一个实例中，浆料可施用于一侧，并可渗透集流体14的孔以基本上涂覆集流体14的另一侧。在任一实施例中，应理解，电极组分的浆料也
可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，其包括：形成电化学电池，其包括：非锂负电极，其与锂离子可渗透的负电极集流体相接触，其中所述非锂负电极是锂离子可渗透的；正电极，其与锂离子可渗透的正电极集流体相接触，其中所述正电极是锂离子可渗透的；锂源电极，其包括锂离子；以及以下中的一者：i)相应聚合物隔膜，其设置在所述锂源电极与所述非锂负电极和所述正电极的每一者之间；或ii)设置在所述锂源电极与所述非锂负电极和所述正电极中的一者之间的第一多微孔聚合物隔膜，及设置在所述非锂负电极与所述正电极之间的第二多微孔聚合物隔膜；将电解质引入至所述电化学电池中；以及将电压电势施加于所述电化学电池上，从而利用来自所述锂源电极的锂离子预锂化所述非锂负电极和所述正电极中的任一者。

【技术特征摘要】
2015.05.28 US 14/7247031.一种方法，其包括：形成电化学电池，其包括：非锂负电极，其与锂离子可渗透的负电极集流体相接触，其中所述非锂负电极是锂离子可渗透的；正电极，其与锂离子可渗透的正电极集流体相接触，其中所述正电极是锂离子可渗透的；锂源电极，其包括锂离子；以及以下中的一者：i)相应聚合物隔膜，其设置在所述锂源电极与所述非锂负电极和所述正电极的每一者之间；或ii)设置在所述锂源电极与所述非锂负电极和所述正电极中的一者之间的第一多微孔聚合物隔膜，及设置在所述非锂负电极与所述正电极之间的第二多微孔聚合物隔膜；将电解质引入至所述电化学电池中；以及将电压电势施加于所述电化学电池上，从而利用来自所述锂源电极的锂离子预锂化所述非锂负电极和所述正电极中的任一者。2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述非锂负电极被预锂化并且所述电压电势的范围为约0.005V至约2.0V；或者所述正电极被预锂化并且所述电压电势的范围为约1.5V至约5.0V。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法形成可再充电的锂基电池组，且其中所述方法进一步包括：通过放电和充电循环来循环所述电池组；以及利用来自所述锂源电极的锂离子预锂化所述非锂负电极和所述正电极中的任一者。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电化学电池选自软包电池、圆柱形电池和纽扣电池，且其中所述电化学电池在所述预锂化后不打开。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述非锂负电极包括负活性材料、粘合剂和导电性填料，且其中所述负活性材料选自石墨、无定形碳、硅、硅合金、氧化硅、硅碳复合物、氧化锡和氧化钛；且其中所述正电极包括正活性材料、粘合剂和导电性填料，且其中：所述正活性材料为选自以下各者的不含锂的活性材料：硫、氧化钒、氧化锰、氧化钴、锰镍氧化物尖晶石、硫化铜、硫化铁、层状镍锰钴氧化物和聚阴离子氧化铁；或所述正电极包括选自以下各者的含锂的正活性材料：LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O2、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O4、LiCoO2，LiNixM1-xO2(M由任何比率的Al、Co和Mg组成)、LiFePO4、LiFePO4(M＝Co、Fe、Mn)、xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M由任何比率的Ni、Mn和Co组成)、Lix+yMn2-yO4(0＜x＜1，0＜y＜0.1)，和高效率锂镍锰钴氧化物材料。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述锂离子可渗透的负电极集流体选自铜网、镍网和多孔碳纸，且所述锂离子可渗透的正电极集流体选自铝网、镍网和多孔碳纸。7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括控制所述锂源电极中的所述锂离子的质量，其中所述锂源电极中的所述锂离子的所述质量的范围为大于用于预锂化所述非锂负电极和具有锂离子的所述正电极中的所述任一者的锂的质量的约10％至约50％。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法形成可再充电的锂基电池组，且其中所述方法进一步包括将所述锂源电极用作所述电池中的参考电极以监测电极电势。9.一种电化学电池，其包括：非锂负电极，其与锂离子可渗透的负电极集流体相接触，其中所述非锂负电极是锂离子可渗透的；正电极，与锂离子可渗透的正电极集流体相接触，其中所述正电极是锂离子可渗透的；锂源电极，其包括锂离子，所述锂源电极用以在所述电化学电池的初始循环期间预锂化所述非锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·肖，J·S·王，
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