锂离子电池组和电容器在材料和电极水平上的杂合制造技术

采用活性锂电池组电极材料和锂离子吸附电容器材料的混合颗粒层或采用在一层中的电池组电极颗粒和在相邻层中的电容器颗粒的同延接触层制备处理锂离子的电化学电池的阳极和阴极至少之一。预定一个或两个电极中活性电池组电极颗粒和活性电容器颗粒的比例以为电池期望的应用提供其指定的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂离子电池组和电容器在材料和电极水平上的杂合
在电化学电池中，阳极和阴极各自包含颗粒混合物或颗粒覆盖层，其结合了用于锂离子电池组电池和相容的锂离子吸附电容器二者的活性电极材料。此类阳极和阴极的组合，其各自具有预定比例的电池组和电容器电极材料和适当的非水液态的含锂阳离子的电解质，能够在各操作电池中提供电池组性质和电容器性质的期望的平衡组合。
技术介绍
在说明书这部分中作为背景信息存在的材料不一定是
技术介绍
。电动的机动车辆使用多电池电池组以提供电能，用于为驱动车辆提供电源并为车辆上的很多设备提供电能。包括很多锂离子电化学电池的电池组是此类电源的实例。并且此类电池组在很多非机动车应用中使用。在一些应用中，其可以用于结合锂离子电池组和电容器。例如，此类电容器可以在车辆制动期间充电并且所储存的电荷用于为锂离子电池组电池再充电。需要共同包装和应用锂离子电池组电池和此类电容器以在它们的彼此相互连接和相互作用中发挥作用的实践。
技术实现思路
本专利技术涉及将锂离子嵌入/脱嵌电极材料（电池组材料）和锂离子吸附-脱附电极材料（电容器材料）二者引入电化学电池的各电极的一个或两个中。选择处理锂离子的材料并将其作为小（微米级）颗粒使用从而各电池的组合活性阳极材料和组合活性阴极材料能够嵌入和吸附来自非水液态电解质的锂离子和相应的阴离子。一般说来，嵌入/脱嵌过程在所选电池组电极材料的整个体积中发生。1g电池组电极材料嵌入的锂离子能够通常比在电容器颗粒表面上吸附的锂离子更大量。但从电池组颗粒释放的锂离子通常慢于从所选电容器颗粒释放的锂离子。电池组颗粒通常每克能够产生比电容器颗粒更多的能量，但电容器颗粒更快地释放吸附的锂离子并通常每克能够比电池组颗粒提供更多的功率。通过在电化学电池的阳极和阴极的一个或两个中引入预定量的适当的电容器材料和电池组电极材料，杂合锂离子电池组/电容器的功率水平、能量水平和循环寿命可以平衡以用于其期望的用途或应用。如所述地，通过改变在每个电池的一个或两个电极中与锂离子电池组材料混合的电容器材料的含量，电池组的性能可能更好地适用于不同的应用，例如开启/停止机动车引擎操作、需要快速充电的应用、装货港吊车操作、国家电网稳定器、赛车等。这些对处理锂的电化学电池的各潜在应用都可能对能量密度(Wh/kg)和对功率密度(W/kg)存在不同的需求。对于这些应用，期望电化学电池能够产生40Wh/kg至150Wh/kg的能量密度和1500W/kg至5800W/kg功率密度。在本公开的优选的示例性实施方案中，将适当的锂离子电池组电极材料和适当的电容器材料的颗粒施加于具有基本上均匀厚度的多孔树脂结合层形式的相容的铝或铜集电器片（通常为薄箔）的一个或两个面上。如本申请说明书在下文中更详细描述地，可以将混合的电池组和电容器电极材料颗粒的多孔单层（还混合了导电碳颗粒并涂布了聚合物粘合剂）结合至集电器元件的两个主表面。或者，电池组电极颗粒和电容器电极颗粒的两个分开的多孔树脂结合层，一层覆盖另一层，各层具有导电碳颗粒，可以顺序地同延结合至适当的集电器表面。一般而言，阳极和阴极（一个或两个包含电池组和电容器电极颗粒）的各电化学容量基本上提供相等的电化学功率容量（以mWh等计）。如所述地，电极中电池组电极颗粒和电容器颗粒的比例可以变化以提供不同的电池性质但电极的输出容量是平衡的。在示例性的实例中，石墨颗粒可以用作活性锂电池组阳极材料，并且锂镍锰钴氧化物（LiNiMnCoO2,NMC）的颗粒可以用作活性锂电池组阴极材料。在本专利技术的一个实践中，一般将电化学相等比例的电化学电极材料施加于电池的阳极和阴极但也可以使用其他比例。在本说明书下文中示出用于锂电池组的一些合适的活性阳极和阴极材料的列表。合适的电容器阴极和阳极材料包括例如：金属氧化物，MOx，其中M＝Pb、Ge、Co、Ni、Cu、Fe、Mn、Ru、Rh、Pd、Cr、Mo、W、Nb。可以基于氧化物容量和导电率选择特定的氧化物或两种或更多种氧化物的混合物以吸附和释放锂阳离子和相应的阴离子用于杂合电极中的特定应用。金属氧化物电容器材料的成本也可以是确定的。在本专利技术的实践中，在阳极和阴极二者中可以使用一种或多种相同的氧化物。这个实践有时称为赝电容。金属硫化物，例如TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS、FeS2。再次，可以基于硫化物容量和导电率选择特定的硫化物或两种或更多种硫化物的混合物以吸附和释放锂阳离子和相应的阴离子以用于杂合电极中的特定应用。金属硫化物电容器材料的成本也可以是确定的。再次，在本专利技术的实践中，在阳极和阴极二者中可以使用一种或多种相同的硫化物。各种形式的碳颗粒，例如活性炭、活性炭纤维、石墨、碳气凝胶、源自碳化物的碳、石墨烯、石墨烯氧化物、碳纳米管。可以基于碳材料的表面积、锂吸附容量和成本选择碳材料。在共混的电容器材料中可以使用多于一种类型的碳。在双电层电容器(EDLC)的阳极和阴极二者中可以使用同样的碳材料。可以在阳极中使用石墨作为电池组材料和电容器材料二者，但石墨的相对低表面积可能限制其作为电容器材料的容量。一种或多种以下聚合物的颗粒可以用作电池阴极中的电容器材料；聚（3-甲基噻吩）、聚苯胺、聚吡咯、聚（对亚苯基）、聚并苯、聚噻吩和聚乙炔。阳极和阴极可以各自为在矩形集电器箔的两侧上沉积的活性电极材料的均匀厚度的多孔层的形式，其中各箔具有从一侧延伸的未涂布的连接件极耳，用于与电池或电池组中其他电极适当的连接。一对或多对交替的阳极和阴极层面对面组装（堆叠）但利用薄同延多孔隔离件物理分开。一个或多个多孔阳极材料层、多孔隔离件和一个或多个多孔阴极材料层中渗入非水液态电解质溶液，用于在阳极和阴极之间转移锂阳离子和相应的阴离子。集电器箔各自具有未涂布的极耳，用于与电池组中其他电极适当的物理连接或与待供电的载荷和/或充电装置物理连接。作为实例，在集电器箔上的杂合阴极材料混合物可以包含作为电容器材料的活性炭、作为电池组材料的NMC和用于改善导电性的导电碳的树脂结合的微粒混合物。在集电器箔上的杂合阳极材料的树脂结合的微粒混合物可以包含作为电池组材料的石墨、作为电容器材料的活性炭和用于适当的电子传导性的导电碳。在电池充电期间，随着电子流动至阳极中，锂阳离子(Li+)从阴极混合物中的NMC颗粒脱嵌，并且PF6-阴离子吸附至阴极混合物中的活性炭颗粒中。在充电期间的阳极处，锂阳离子嵌入石墨颗粒中，锂阳离子吸附至活性炭颗粒中。存在于活性炭颗粒表面上的吸附的锂阳离子与嵌入层状石墨颗粒中的锂阳离子不同并且分开。两个过程都在杂合阳极材料充电期间发生。随着电化学电池放电，这些反应逆转。随着锂离子从石墨脱嵌，电子从阳极流至用电设备。分开且不同组的锂离子从阳极中的活性炭脱附。这些脱附的锂阳离子有助于来自阳极的电子流动。锂阳离子嵌入阴极的NMC颗粒中，并且阴极中的活性炭将PF6-阴离子脱附。在本专利技术的实施方案中，采用活性锂离子电池组材料和锂离子吸附电容器材料的适当的预定混合物制备杂合电化学电池的阳极，并采用相容的活性电池组和电容器材料的适当的预定混合物制备阴极。提供锂离子电池组组分以满足电化学电池的能量(Wh)或能量密度(Wh/kg)需要，并提供电容器组分以满足电化学电池的功率模式(W)或功率密度(W/kg)需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学电池，其包括阳极、阴极和包含溶解于非水液态溶剂中的锂电解质盐的电解质溶液，其中所述电解质盐产生锂阳离子和缔合阴离子；所述电化学电池的特征进一步在于：所述电化学电池的阳极和阴极各自包含结合至集电器箔的至少一侧的电极材料的树脂结合颗粒层，所述树脂结合的电极材料颗粒能够嵌入来自电解质溶液的锂并将锂脱嵌至电解质溶液中，从而阳极和阴极中的这样的电极材料颗粒能够充当锂离子电池组电池；和所述电化学电池的阳极和阴极至少之一还包含能够吸附来自电解质溶液的锂阳离子并脱附锂阳离子至电解质溶液中以充当电容器的电极材料颗粒，这样的电极材料电容器颗粒在同一电极树脂结合层中与电池组电极材料颗粒混合或形成与电池组电极颗粒层同延并紧靠其布置的分开的多孔层，阳极和阴极中存在的电池组颗粒和电容器颗粒的量和比例的组合在各电极中各自提供以安培‑小时计的相等的电化学容量，阳极和/或阴极中电化学颗粒和电容器颗粒的量和比例进一步预定成为电化学电池提供指定的杂合的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学电池，其包括阳极、阴极和包含溶解于非水液态溶剂中的锂电解质盐的电解质溶液，其中所述电解质盐产生锂阳离子和缔合阴离子；所述电化学电池的特征进一步在于：所述电化学电池的阳极和阴极各自包含结合至集电器箔的至少一侧的电极材料的树脂结合颗粒层，所述树脂结合的电极材料颗粒能够嵌入来自电解质溶液的锂并将锂脱嵌至电解质溶液中，从而阳极和阴极中的这样的电极材料颗粒能够充当锂离子电池组电池；和所述电化学电池的阳极和阴极至少之一还包含能够吸附来自电解质溶液的锂阳离子并脱附锂阳离子至电解质溶液中以充当电容器的电极材料颗粒，这样的电极材料电容器颗粒在同一电极树脂结合层中与电池组电极材料颗粒混合或形成与电池组电极颗粒层同延并紧靠其布置的分开的多孔层，阳极和阴极中存在的电池组颗粒和电容器颗粒的量和比例的组合在各电极中各自提供以安培-小时计的相等的电化学容量，阳极和/或阴极中电化学颗粒和电容器颗粒的量和比例进一步预定成为电化学电池提供指定的杂合的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)。2.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极各自包含电池组颗粒和电容器颗粒的组合作为树脂结合至各集电器箔的电极材料。3.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极只有一个包含电池组颗粒和电容器颗粒的组合作为树脂结合至阳极或阴极集电器箔的电极材料。4.如权利要求1所述的电化学电池，其中将电池组电极材料颗粒和电容器电极材料颗粒的混合物作为多孔树脂结合的单电极层施加至阳极和阴极集电器的一个或两个。5.如权利要求1所述的电化学电池，其中将电池组电极材料颗粒和电容器电极材料颗粒的分开的多孔的相邻的同延层施加至电池的阳极或阴极的集电器箔的至少一侧。6.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极各自包含电池组颗粒和电容器颗粒，并且阳极中电容器颗粒的吸附容量等于阴极中电容器颗粒的吸附容量从而电化学电池既充当锂离子电池组也充当电容器。7.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极各自包含电池组颗粒和电容器颗粒，并且阴极中电容器颗粒的吸附容量低于阳极中电容器颗粒的吸附容量从而电化学电池充当锂离子电池组、锂离子电容器和电容器。8.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极各自包含电池组颗粒和电容器颗粒，并且阳极中电容器颗粒的吸附容量低于阴极中电容器颗粒的吸附容量从而电化学电池充当锂离子电池组、锂离子电容器和电容器。9.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极各自包含电池组颗粒，但只有阳极包含电容器颗粒从而电化学电池充当锂离子电池组和锂离子电容器。10.如权利要求1所述的电化学电池，其中电化学电池的阳极和阴极各自包含电池组颗粒和电容器颗粒，但只有阴极包含电容器颗粒从而电化学电池充当锂离子电池组和锂离子电容器。11.一种形成电化学电池的阳极和阴极至少之一的方法，所述电化学电池包括阳极、阴极和包含溶解于非水液态溶剂中的锂电解质盐的电解质溶液，其中所述电解质...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海晶，Z于，D孔，M吴，
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