一种被配置用于对锂离子电池快速充电的负极，其包括负极基底和设置在所述负极基底表面上的涂层，所述涂层用于增加Li金属的超电势，以抑制在对用所述负极制造的锂离子电池进行极快速充电期间的Li金属镀层。通过将涂层施加到所述负极基底表面的方法来制造所述负极，所述涂层包括Cu纳米层，或Ni纳米层或Cu和Ni的复合纳米层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池的快速充电的装置和方法政府支持声明本专利技术是在美国能源部授予的DE-FOA-0001818和DE-EE0008356下由政府支持完成的。政府对本专利技术具有一定的权利。相关申请的交叉引用本申请享有2018年1月17日提交的美国临时专利申请号62/618,116的申请日的权益。该临时申请的内容通过引用并入本申请。
本专利技术广泛地涉及锂离子电池，更特别地，涉及一种用于快速充电的锂离子电池单元或电池，其包括负极，所述负极被形成用于增加Li金属成核和生长相对于未涂覆的负极表面(例如石墨)的超电势，从而在极快速充电期间抑制Li沉积(“金属镀层”)，同时仍促进Li离子扩散进入石墨基底。通过减缓Li镀层，具有如此制造的具有涂层的石墨负极的电池单元或电池满足EERE目标，即用10分钟快速充电方案以少于20％的比能衰减实现500次循环。涂层作为总体厚度在约2至200nm之间，优选在约2至10nm之间(例如，5nm)。
技术介绍
目前生产的电动汽车(EV)依赖于锂离子电池技术的使用，这是由于其高能量和功率密度，以及与其他新兴体系如Li/S和Li/O2相比其相对技术成熟度。Ahmed,S.,等人,Enablingfastcharging-Abatterytechnologygapassessment.JournalofPowerSources(2017)；367(SupplementC):p.250-262。然而，采用电动汽车面临的一个主要障碍是，目前使用的Li离子电池再充电时间(～30分钟)比给内燃机驱动的车辆加油所需的时间(<10分钟)明显长。因此，开发可在约10分钟内(6C倍率)充电而不牺牲续航里程(range)、成本或循环寿命的Li离子电池对于EV的广泛实施至关重要。阻止现有技术的Li离子电池极快速充电的主要障碍是在石墨负极处出现锂金属沉积或锂镀层，如Nitta,N.,等人,Li-ionbatterymaterials:presentandfuture.Mater.Today(Oxford,U.K.)(2015)；18(5):p.252-264所报道的。石墨负极在0.05-0.1Vvs.Li/Li+的工作电势下工作，如以下文献所报道的：Waldmann,T.,等人,InterplayofOperationalParametersonLithiumDepositioninLithium-IonCells:SystematicMeasurementswithReconstructed3-ElectrodePouchFullCells.JournalofTheElectrochemicalSociety(2016)；163(7):p.A1232-A1238；Liu,Q.,等人,Understandingundesirableanodelithiumplatingissuesinlithium-ionbatteries.RSCAdv.(2016)；6(91):p.88683-88700；Agubra,V.和J.Fergus,LithiumIonBatteryAnodeAgingMechanisms.Materials(2013)6(4):p.1310。因此，所述工作电压非常接近金属Li沉积的工作电压。在低倍率的正常充电条件下，Li+离子嵌入石墨负极。然而，在快速充电条件下，Li+离子向负极表面的传输速率大于Li+离子在石墨中的扩散速率，从而导致Li+离子在电极表面处的累积。Waldmann,T.,等人,InterplayofOperationalParametersonLithiumDepositioninLithium-IonCells:SystematicMeasurementswithReconstructed3-ElectrodePouchFullCells,JournalofTheElectrochemicalSociety(2016)；163(7):p.A1232-A1238。这些条件导致电极极化低于Li沉积的0V阈值，从而导致Li镀层。锂沉积取决于充电条件，其中快速、低温和高荷电态(SOC)都会增加电极极化，从而促进Li沉积。Liu,Q.,等人,Understandingundesirableanodelithiumplatingissuesinlithium-ionbatteries.RSCAdv(2016)；6(91):p.88683-88700。锂沉积取决于充电条件，其中快速、低温和高荷电态(SOC)都会增加负极极化，从而促进Li的沉积。Q.Liu,等人RSCAdv.,6,88683(2016)。现有技术的Li离子电池的快速充电能力受限于石墨负极处的Li镀层的出现，石墨负极在0.05-0.1Vvs.Li/Li+的工作电势下工作。T.Waldmann,等人J.Electrochem.Soc.,163,A1232(2016)；Q.Liu,等人RSCAdv.,6,88683(2016)；5.V.Agubra,等人Materials,6,1310(2013)。当负极在低于0V极化时，Li在石墨表面上相对于嵌入更倾向于沉积，并从而出现镀层。由于Li金属的高反应性，随后与电解质发生反应，从而消耗一些活性锂并导致电池单元容量损失。为了抑制Li镀层，已经证明了多种策略具有有限有效性，所述策略包括优化电解质组成以增加离子电导率和/或控制SEI电阻，Jones,J.P.,等人,TheEffectofElectrolyteCompositiononLithiumPlatingDuringLowTemperatureChargingofLi-IonCells.ECSTransactions(2017)；75(21):p.1-11；Liu,Q.Q.,等人,EffectsofElectrolyteAdditivesandSolventsonUnwantedLithiumPlatinginLithium-IonCells.JournalofTheElectrochemicalSociety(2017)164(6):p.A1173-A1183,13.Jumg,S.,等人,Low-TemperaturePerformanceImprovementofGraphiteElectrodebyAllylSulfideAdditiveandItsFilm-FormingMechanism.JournalofTheElectrochemicalSociety(2016)；163(8):p.A1798-A1804；Smart,M.C.和B.V.Ratnakumar,EffectsofElectrolyteCompositiononLithiumPlatinginLithium-IonCells.JournalofTheElectrochemicalSociety(2011)；158(4):p.A379-A389；Smart,M.C.,等人,Lithium-IonElectrolytesContainingEster本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种被配置用于对锂离子电池快速充电的负极，其包括：/n负极基底；/n设置在所述负极基底的表面上的纳米涂层，其选自由以下组成的纳米涂层的组：Cu、Ni，以及Cu和Ni的复合物；/n其中所述涂层增加在至少一个电极的经涂覆的表面处Li金属成核的超电势，以抑制在极快速充电期间的Li金属镀层。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被配置用于对锂离子电池快速充电的负极，其包括：
负极基底；
设置在所述负极基底的表面上的纳米涂层，其选自由以下组成的纳米涂层的组：Cu、Ni，以及Cu和Ni的复合物；
其中所述涂层增加在至少一个电极的经涂覆的表面处Li金属成核的超电势，以抑制在极快速充电期间的Li金属镀层。
2.根据权利要求1所述的负极，其中极快速充电是在少于20分钟内进行的充电。
3.根据权利要求1所述的负极，其中所述涂层是厚度在2-200nm范围内的纳米涂层。
4.根据权利要求3所述的负极，其中所述纳米涂层的厚度在2-10nm的范围内。
5.根据权利要求1所述的负极，其中所述负极基底选自由以下组成的组：石墨、炭黑和聚氟乙烯(PVDF)。
6.根据权利要求4所述的负极，其中所述负极基底是石墨，所述涂层的厚度为约5nm，并且在约8mg/cm2的负载下，包含所述涂层的金属的质量小于1mg/g石墨。
7.根据权利要求2所述的负极，其中所述极快速充电在大约10分钟内进行。
8.根据权利要求1所述的负极，其中所述超电势由所述基底和所述Li金属之间的界面能差确定，所述界面能差取决于晶体结构的不同。
9.根据权利要求1所述的负极，其中所述涂层包括在所述负极基底表面上的Cu和Ni的复合纳米层。
10.一种制造用于对锂离子电池快速充电的负极的方法，所述方法包括：
用Cu层、Ni层或Cu层和Ni层涂覆负极基底的表面，以产生在经涂覆的表面处具有增加的Li金属成核超电势的负极，从而抑制在用所述负极制造的锂离子电池的极快速充电期间的Li金属镀层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中涂覆包括直接在所述负极基底表面上施加Ni纳米层，以及直接在Ni层上施加Cu层，以形成复合纳米层。
12.根据权利要求10所述的方法，其包括通过物理气相沉积(PVD)将所述涂层施加到所述负极。
13.根据权利要求12所述的方法，其包括在真空下从加热的钨坩埚中蒸发Cu、Ni或Cu和Ni两者。
14.根据权利要求10所述的方法，其包括以约2-200nm的厚度施加所述涂层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述涂层以约2-10nm的厚度施加。
16.根据权利要求15所述的方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：艾斯·S·塔凯奇，艾米·C·马希洛克，肯尼斯·塔凯奇，大卫·C·伯克，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会，布鲁克哈文科学协会有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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