高容量电池及其组件制造技术

本文描述的是高容量电化学电池，其包括第一电极和第二电极，第一电极包括金属氧化物，例如酸化金属氧化物(“AMO”)材料，第二电极包括金属锂。其中金属氧化物以小于80重量％存在于第一电极中。本文还公开了制造包括金属氧化物的电极的方法，以及制造电化学电池的方法。

【技术实现步骤摘要】
高容量电池及其组件相关申请的交叉引用本申请要求于2017年4月10日提交的美国临时申请62/483,789，于2017年5月17日提交的美国临时申请62/507,655，于2017年5月17日提交的美国临时申请62/507,658，于2017年5月17日提交的美国临时申请62/507,659，于2017年5月17日提交的美国临时申请62/507,660，于2017年5月17日提交的美国临时申请62/507,662，以及于2018年3月30日提交的美国临时申请62/651,002的优先权，通过引用将其全部内容整体并入本文。本申请还通过引用并入了2015年11月16日提交的美国临时申请62/256,065和62/256,059，2016年11月15日提交的美国临时申请62/422,483，2016年11月15日提交的美国非临时申请15/352,388，现为美国专利9,786,910，以及2017年11月15日提交的美国非临时申请15/814,094。
本公开涉及化学能量储存和功率器件(例如但不限于电池)的材料的领域。更具体地说，本公开涉及具有包括酸化金属氧化物(“AMO”)纳米材料的阴极和/或阳极的电池单元。
技术介绍
金属氧化物是氧与金属键合的化合物，具有通式MmOx。它们存在于自然界中，但可以人工合成。在合成的金属氧化物中，合成方法可以对表面的性质，包括其酸/碱特性具有广泛的影响。表面特性的变化可以改变氧化物的性质，影响其催化活性和电子迁移率等因素。然而，表面控制反应性的机制并不总是被很好地表征或理解。例如，在光催化中，表面羟基被认为促进从导带到化学吸附的氧分子的电子转移。尽管表面特性的重要性，金属氧化物文献，包括科学论文和专利，主要致力于创造新型纳米级结晶形式的金属氧化物，用于改善的能量储存和功率应用。金属氧化物表面特性被忽略，并且在化学催化文献之外，很少创新致力于控制或改变已知金属氧化物的表面以实现性能目标。化学催化文献主要致力于“超强酸”的创造-酸度大于纯硫酸(18.4MH2SO4)的酸度-通常用于诸如烃裂解的大规模反应。超强酸度不能在传统的pH值上测量，而是由Hammet数字来定量。Hammet数字(H0)可以被认为是将pH值扩展到零以下的负数。纯硫酸具有H0为-12。但是，有很多反应体系和很多应用，对于这些反应体系和应用，超强酸度太强。例如，超强酸度可以降解系统组分或催化不需要的副反应。然而，在这些相同的应用中，酸度可能仍然是有用的，因为其能提供增强的反应性和速率特性或改善的电子迁移率。电池文献教导，酸性基团在电池中是有害的，因为它们可以攻击金属集电器和壳体，并且导致其他电极组件的劣化。此外，现有技术教导活性催化电极表面导致电解质分解，其可以导致电池内气体产生并且最终导致电池故障。存在对于改进的电池和相关组件的需要。
技术实现思路
本申请描述了包括包含金属氧化物的电极的高容量电化学电池。本申请还公开了制备金属氧化物和包括金属氧化物的电化学电池的技术。可选地，所公开的金属氧化物与导电材料结合使用以形成电极。形成的电极可用于金属锂和常规的锂离子电极作为相应的反电极。本申请公开的金属氧化物可选地与酸性物质组合使用以增强它们的效用。包括包含金属氧化物的电极的电化学电池有利地表现出极高的容量，例如高达15000mAh/g的金属氧化物。例如，可以使用低活性材料(即金属氧化物)载量的层状电极结构，例如电极中小于80重量％的活性材料来实现这种高容量。这与常规的电化学电池技术形成对比，在常规的电化学电池技术中，活性材料的载量试图被最大化，并且可以大于或大约80重量％，例如90重量％或95重量％或99重量％。尽管高活性材料载量可用于增加常规电化学电池技术中的容量，但本申请的专利技术人已经发现，减少活性材料载量实际上允许更高的电池容量。这种容量增加可以至少部分通过允许穿梭离子(即锂离子)的较大吸收来实现，因为当活性材料载量水平较小时可以获得附加的物理体积。可替代地或另外地，这种容量增加可以至少部分通过允许较多的吸收穿梭离子的活性位点并且通过附加的材料质量的较少的活性部位的阻塞来实现。所公开的电化学电池可以可选地采用酸化金属氧化物(“AMO”)材料的形式的金属氧化物。有用的AMO包括纳米材料的形式的那些AMO，例如纳米颗粒形式，其可以是单分散的或基本上单分散的，并且具有例如小于100nm的粒径。当悬浮于水中或在干燥后重新悬浮于水中时，例如以特定浓度(如5重量％)，所公开的AMO表现出低pH值，例如小于7(如0和7之间)，并且还表现出至少在AMO表面上的Hammett函数H0，其大于-12(即，非超强酸)。金属氧化物的表面可以可选地被官能化，例如通过酸性物质或其它吸电子物质。合成和表面官能化可以在“一锅”水热法中完成，其中当金属氧化物由合适的前体合成时，金属氧化物的表面被官能化。在一些实施例中，这种一锅法不需要超出合成金属氧化物本身所需的步骤之外的任何附加的酸化步骤，并且得到具有所需表面酸性(但不是超强酸)的金属氧化物。可选地，单独或相互组合使用强吸电子基团(“EWG”)-例如SO4，PO4或卤素(Br，Cl等)来发生表面官能化。使用弱于SO4，PO4或卤素的EWG也可以发生表面官能化。例如，合成的金属氧化物可以用乙酸根(CH3COO)，草酸根(C2O4)和柠檬酸根(C6H5O7)基团表面官能化。尽管传统知识认为酸性物质在电池中是不希望的，因为它们可以攻击金属集电器和壳体并且导致其它电极组件的劣化，并且活性催化电极表面可以导致电解质分解，电池内气体产生和最终的电池故障，但专利技术人已经发现酸性物质和组分在采用电池电极中的金属氧化物材料，例如AMO纳米材料的电池中可能是有利的。例如，金属氧化物和酸性物质的组合或使用可以增强所得材料、系统或设备的性能，产生改善的设备的容量、可循环性和寿命。作为示例，采用金属氧化物与酸性电解质或含如本文所述的酸性物质的电解质组合的电池表现出相当大的容量增加，例如与采用非酸化电解质或缺乏酸性物质的电解质的类似电池相比大高达100mAh/g或更多。在一些实施例中，可以实现50mAh/g和300mAh/g之间的容量的改善。另外，使用具有酸化电解质或包括酸性物质的电解质的电池可以实现高达1000mAh/g或更多的绝对容量。此外，电池的循环寿命可以通过使用酸性电解质或含酸性物质的电解质来改善，例如电池的循环寿命延长至高达100次或更多的充放电循环。在一个方面，本申请公开了高容量电池和电化学电池。本文所述的电池和单元的示例的容量包括，例如2000mAh/g的金属氧化物和15000mAh/g的金属氧化物之间的一次容量，例如在2500mAh/g的金属氧化物和15000mAh/g的金属氧化物之间，在3000mAh/g的金属氧化物和15000mAh/g的金属氧化物之间。容量的中间范围和具体值也是可以实现的，包括例如从约3500mAh/g、4000mAh/g、4500mAh/g、5000mAh/g、5500mAh/g、6000mAh/g、6500mAh/g或7000mAh/g的金属氧化物至约10000mAh/g、10500mAh/g、11000mAh/g、1000mAh/g、11500mAh/g、12000m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高容量电池单元，包括：第一电极，其中所述第一电极包括金属氧化物、导电材料和粘合剂，并且其中所述金属氧化物的重量小于所述第一电极的重量的80％；第二电极，包括金属锂；以及电解质，位于所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述第一电极和所述第二电极提供3000mAh/g的所述金属氧化物和15000mAh/g的所述金属氧化物之间的一次容量。

【技术特征摘要】
2017.04.10 US 62/483,789;2017.05.17 US 62/507,658;1.一种高容量电池单元，包括：第一电极，其中所述第一电极包括金属氧化物、导电材料和粘合剂，并且其中所述金属氧化物的重量小于所述第一电极的重量的80％；第二电极，包括金属锂；以及电解质，位于所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述第一电极和所述第二电极提供3000mAh/g的所述金属氧化物和15000mAh/g的所述金属氧化物之间的一次容量。2.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述第一电极包括层状结构，所述层状结构包括第一组层和第二组层，所述第一组层包括所述导电材料，所述第二组层包括所述金属氧化物，并且其中所述第一组层和所述第二组层交替设置。3.根据权利要求2所述的高容量电池单元，其特征在于，所述第一组层包括1至20个层，并且所述第二组层包括1至20个层。4.根据权利要求2所述的高容量电池单元，其特征在于，所述第一组层和所述第二组层独立地具有1μm和50μm之间的厚度。5.根据权利要求2所述的高容量电池单元，其特征在于，所述金属氧化物的重量小于所述第二组层的重量的90％。6.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述金属氧化物的重量占所述第一电极的重量的5％和15％之间，所述第一电极的重量的20％和35％之间，或者所述第一电极的重量的55％和70％之间。7.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述电解质包括溶剂、锂盐和酸性物质。8.根据权利要求7所述的高容量电池单元，其特征在于，所述酸性物质是琥珀酸酐或衣康酸酐。9.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述金属氧化物包括酸化金属氧化物(AMO)纳米材料。10.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述金属氧化物包括含锂氧化物、氧化铝、氧化钛、氧化锰、氧化铁、氧化锆、氧化铟、氧化锡、氧化锑、氧化铋或它们的任意组合。11.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述金属氧化物包括一个或多个选自Cl、Br、BO3、SO4、PO4、NO3、CH3COO、C2O4、C2H2O4、C6H8O7或C6H5O7的吸电子基团，和/或通过一个或多个选自Cl、Br、BO3、SO4、PO4、NO3、CH3COO、C2O4、C2H2O4、C6H8O7或C6H5O7的吸电子基团表面官能化。12.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述导电材料包括石墨、导电碳、炭黑、科琴黑、导电聚合物、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、PEDOT:PSS复合物、聚苯胺(PANI)或聚吡咯(PPY)中的一种或多种。13.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述高容量电池单元在组装时表现出4000mAh/g的所述金属氧化物和15000mAh/g的所述金属氧化物之间的一次容量。14.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述高容量电池单元表现出1000mAh/g的所述金属氧化物和5000mAh/g的所述金属氧化物之间的二次容量。15.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述高容量电池单元表现出100至1000次充放电循环的寿命周期而没有故障。16.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述高容量电池单元在组装时表现出2V和4V之间的开路电压。17.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，权利要求2至16的特征的任意组合。18.根据权利要求1所述的高容量电池单元，其特征在于，所述金属氧化物包括酸化金属氧化物(AMO)纳米材料，其中所述AMO纳米材料的重量占所述第一电极的重量的5％和35％之间，其中所述AMO纳米材料包括85重量％至100重量％的氧化锡和0重量％至15重量％的氧化铁；其中所述AMO纳米材料包括一个或多个选自Cl、Br、BO3、SO4、PO4、NO3、CH3COO、C2O4、C2H2O4、C6H8O7或C6H5O7的吸电子基团，和/或通过一个或多个选自Cl、Br、BO3、SO4、PO4、NO3、CH3COO、C2O4、C2H2O4、C6H8O7或C6H5O7的吸电子基团表面官能化；其中所述导电材料包括石墨、导电碳、炭黑、科琴黑和导电聚合物，例如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、PEDOT:PSS复合物、聚苯胺(PANI)或聚吡咯(PPY)中的一种或多种；其中所述第二电极包括金属锂，其中所述高容量电池单元表现出1000mAh/g和5000mAh/g的所述AMO纳米材料之间的二次容量，其中所述高容量电池单元表现出100至1000次充放电循环的寿命周期而没有故障，并且其中所述高容量电池单元在组装时表现出2V和4V之间的开路电压。19.根据权利要求18所述的高容量电池单元，其特征在于，所述第一电极包括层状结构，所述层状结构包括第一组层和第二组层，所述第一组层包括所述导电材料，所述第二组层包括所述AMO，其中所述第一组层和所述第二组层交替设置，其中所述第一组层包括1至20个层，并且所述第二组层包括1至20个层；其中所述第一组层和所述第二组层独立地具有1μm和50μm之间的厚度，其中所述AMO纳米材料的重量占所述第二组层的重量的25％和35％之间。20.一种制造电极的方法，包括：制备金属氧化物；使用所述金属氧化物、导电材料、粘合剂和溶剂形成浆料；将一层所述浆料覆盖在集电器上；以及蒸发至少一部分所述溶剂以形成包括所述金属氧化物的电极层。21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述制备所述金属氧化物包括：形成包括金属盐、乙醇和水的溶液；通过将酸加入所述溶液来酸化所述溶液；通过将碱水溶液加入所述溶液来碱化所述溶液；从所述溶液中收集沉淀物；洗涤所述沉淀物；以及干燥所述沉淀物。22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：在所述集电器上沉积导电层，其中所述导电层包括第二导电材料。23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述沉积所述导电层包括：使用所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：佩奇·L·约翰逊，
申请(专利权)人：合力有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US