用于在阳极上形成SEI层的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于在阳极上形成SEI层的方法，所述方法使用碱化阳极的非电化学法，导致制造资本要求、时间投入和在工业电池制造期间所消耗的能量减少。

Method for forming SEI layer on anode

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在阳极上形成SEI层的方法相关申请本申请要求于2017年7月10日提交的美国临时申请号62/530,609的权益。上述申请的全部教导内容通过引用并入本文。
技术介绍
在其中金属离子在阳极和阴极之间穿梭的可再充电金属离子电池的领域中，电解质可以在各种电压下在电极表面上反应。所述金属离子的实例包括锂。在可再充电金属离子电池的初始循环期间，在阴极和阳极的表面上形成钝化膜。所述钝化层的形成涉及金属离子、活性涂覆材料、有机溶剂和溶解在有机溶剂中的盐之间的不可逆反应。一种或多种所述反应可能涉及形成不溶性产物和聚合化合物的溶剂和盐还原，如图1中所示。在阳极处形成的钝化膜常常称为固体电解质界面(SEI)层并且它负责在钝化层形成期间的大部分不可逆反应。SEI起到保护作用，防止和/或降低阳极与溶剂/电解质进一步不可逆反应的速率。这些反应的后果的一个实例可以在锂离子电池中看到，所述锂离子电池通常被描述为具有5％至40％的不可逆初始损失。理想的SEI应该是薄的、孔隙极少、电化学惰性、电绝缘并且离子导电。SEI的形成意味着不可逆损失，该不可逆损失通常消耗电池阴极中存在的金属离子存量的一部分，从而降低电池容量。另外，在此SEI形成期间，气态产物形成且积聚在电池内部。然而，SEI形成是必需的，因为没有它，电池的循环寿命将较短。典型的SEI电化学形成常常称为形成循环。根据具体的化学性质，可以采用几种电化学形成循环方案。所使用的一些最常见方法是单步骤和多步骤电流形成和脉冲形成。可以在将电池保持在高于室温但低于电解质沸点的温度下的同时施加电流，以形成在室温运行期间不会产生的特定产物，诸如无机金属盐。有时将电化学形成与间歇的高温浸泡步骤组合起来，其中将高温保持在低于电解质的沸点以下。根据具体的化学性质和所应用的形成方案，可能必须除去在形成循环期间产生的气体，以防止在电池内部积聚压力，从而导致引入额外的脱气步骤。在工业上，使用这些和其它方法的专有组合，这会导致高度复杂的形成循环方案。形成方案可以对Li离子电池制造具有显著的经济影响。形成方法需要安装大量循环台。继而，这导致资本设备成本、能耗、工厂规模和温度控制要求增加。当前的研究表明，形成循环可以占整个电池成本的大约5％。
技术实现思路
本专利技术涉及发现一种用于在电池中形成SEI层的非电化学方法，其中阳极已经被预碱化。该新颖方法可以通过提供碱化阳极的非电化学形成程序来消除对电池单元进行电化学形成的需要。非电化学方法涉及在常规充电、循环和/或运行之前将电池内部组件浸泡或保持在电解质中。为了此讨论的目的，形成是指其中首先在可再充电金属离子电池中构建SEI的过程。电化学形成涉及施加外部电化学驱动力(电压或电流)以在阳极表面上形成SEI。非电化学形成涉及仅通过化学途径而非电化学途径形成SEI。在非电化学形成期间不使用外部电化学驱动力(电流或电压)。常规电池(不使用预碱化阳极来构建的那些电池)是在惰性电化学状态下组装的，其中阳极具有接近于零的电势/电压。在此状态下，没有足够的能量来进行阳极、有机溶剂和溶解盐之间的SEI形成反应。因此，必须施加电流或电压，使得阳极电极可以达到允许发生SEI反应的能量状态。当使用预碱化阳极构建电池时，此阳极所具有的能量级别将取决于碱化度。预碱化度可以在总阳极容量的低至1％到高达99％的范围，并且可以取决于特定的阳极和阴极材料以及电池负/正比。在预碱化之后，阳极将具有非零电势/电压并且因此具有非惰性能量状态。我们已经发现，当预碱化阳极具有高于其中SEI可以形成的所处电压的电势电压时，并且如果预碱化剂量大于或等于阳极的第一循环不可逆损失，则有可能在构建电池之后仅通过化学反应在阳极电极表面处进行非电化学SEI形成。通过针对具有预碱化阳极的电池仅仅并入非电化学形成，可以通过降低制造成本的优选方法来形成SEI。本专利技术提供一种用于形成电池的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将阳极预碱化到大于或等于阳极的第一循环不可逆损失的剂量。该阳极可以是石墨、焦炭、其它碳、锡、氧化锡、硅、氧化硅、铝、锂活性金属、合金金属材料和其混合物。(b)将预碱化阳极、阴极、分隔件和电解质组装至密封电池中。(c)在一定条件下浸泡所述电池并且持续足以形成SEI层的时间。(d)任选地将所述电池脱气。本专利技术可以使用可商购获得的预碱化阳极或包括预碱化步骤。在一个优选的实施方式中，根据本领域已知的现有方法预碱化阳极。非电化学浸泡形成步骤(c)可以实施1小时至10天、优选4小时至5天、或更优选12小时至2天的时段。浸泡温度可以是-20℃至电解质的沸点、优选10℃至60℃、并且甚至更优选20℃至40℃。应理解，可以使用具有不同沸点的多种电解质。在一个实施方式中，将用预碱化阳极构建的电池在环境温度下浸泡预定时间量以完成化学SEI形成。在另一个实施方式中，将用预碱化阳极构建的电池在单一控制温度下浸泡预定时间量以完成化学SEI形成。在又一个实施方式中，将用预碱化阳极构建的电池在不同环境或控制温度下在每个温度下浸泡预定时间量以完成化学SEI形成。附图说明本专利技术的前述和其它目的、特征和优点根据本专利技术的优选实施方式的以下更具体描述将变得显而易见，如附图中所说明，在所述附图中，贯穿不同的视图，相同的参考标记是指相同的部分。图式并非必定按比例，而是将重点放在说明本专利技术的原则上。图1：阳极上的SEI反应。图2：在预碱化之后但在浸泡之前阳极的实例。图3：在预碱化和浸泡之后阳极的实例。图4：在室温下浸泡24、48和72小时的碱化阳极的SEI。图5：在25℃和40℃下浸泡24小时的预碱化阳极的SEI。图6：在大约C/2速率下在充电和放电循环的延长范围内测试了NCM相对于硅/石墨电池(利用电化学相对于非电化学形成)的面积容量。图7：利用电化学相对于非电化学形成的完整电池的容量保持率。具体实施方式在组装之后在电池运行的第一个充电步骤期间碱化由石墨、焦炭、碳、锡、氧化锡、硅、氧化硅、铝、锂活性金属、合金金属材料及其混合物构成的阳极，诸如由碳或石墨构成的阳极，其中金属来自阴极材料。在这些情况下，阴极是电池最重且最昂贵的组件。另外，此电化学形成步骤为电池制造增加了时间、资本和能量资源。因此，设计一种用于消除电化学形成的方法将是希望的并且具有商业意义。如果完成一种非电化学形成的方法，则可以实现制造时间和资本投入的显著减少。本专利技术涉及一种在预碱化的可再充电金属离子电池中非电化学形成SEI层的方法，其中利用所述方法导致制造时间、设备需求和能量消耗减少。非电化学方法涉及在常规充电、循环和/或运行之前将电池内部组件浸泡或保持在电解质中。在常规制造期间，在电池的第一个充电步骤期间碱化由碳或石墨或硅或硅/碳掺合物构成的阳极，其中金属来自阴极材料；这是一种称为电化学形成的方法。用于此方法的专用循环设备关于它在任何一个时间可以循环的电池数量固有地受到限制。在专用设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在用于可再充电金属离子电池的阳极上形成SEI层的方法，所述方法包括以下步骤：/na.将阳极预碱化到大于或等于所述阳极的不可逆损失的剂量；/nb.将预碱化阳极、阴极、分隔件和电解质组装至密封电池中；/nc.通过在不施加外部电压或电流情况下浸泡所述电池来形成SEI层；和/nd.任选地将所述电池脱气。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170710 US 62/530,6091.一种用于在用于可再充电金属离子电池的阳极上形成SEI层的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将阳极预碱化到大于或等于所述阳极的不可逆损失的剂量；
b.将预碱化阳极、阴极、分隔件和电解质组装至密封电池中；
c.通过在不施加外部电压或电流情况下浸泡所述电池来形成SEI层；和
d.任选地将所述电池脱气。


2.如权利要求1所述的方法，其中所述预碱化步骤包含锂化。


3.如权利要求1所述的方法，其中所述阳极包含石墨或其它碳、硅、锡、硅合金、氧化硅、金属氧化物或其组合。


4.如权利要求1所述的方法，其中形成SEI层通过将所述电池浸泡1小时至10天来进行。


5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·维嘉，A·M·阿查理格，R·A·沃尔，
申请(专利权)人：那诺思卡乐康母庞特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US