用于宽温度范围和高温的可再充电锂离子电池制造技术

本发明专利技术涉及一种具有至少一个电池单元(12)的可再充电锂离子电池(10)，所述电池单元包括液体电解质(16)、具有涂覆有至少一种活性材料和粘合剂的金属集流体(24)的复合阳极(22)、具有涂覆有至少一种活性材料和粘合剂的金属集流体(30)的复合阴极(28)以及布置在所述阳极(22)与所述阴极(28)之间的隔膜(34)。根据本发明专利技术，所述液体电解质(16)包括离子液体、至少一种有机化合物和锂盐，所述阳极(22)的活性材料是锂钛氧化物(LTO)，当浸入所述液体电解质(16)中时，所述阴极(28)、所述阳极(22)以及所述隔膜(34)在高于150℃的温度下是耐热的，并且所述电池在

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于宽温度范围和高温的可再充电锂离子电池


[0001]本专利技术涉及可再充电锂离子电池的
特别地，本专利技术涉及可以在宽温度范围内且在高温下以高容量安全地工作、充电和放电的可再充电锂离子电池。

技术介绍

[0002]如今，可再充电锂离子电池被广泛用作电子装置和电装置的电源，诸如消费电子产品和电动车辆。这些装置中的大多数，如消费电子产品，在不超过50℃的温度下使用和充电。其他，如车辆在其中温度可在50℃与
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20℃之间变化的环境中使用和充电。然而，一些电池供电的电子装置或电装置暴露于较高的温度下，例如用于测量石油或天然气钻井领域中的井下参数(如井斜(inclination)或偏差)的电子装置。
[0003]取决于不同条件，如钻井深度，这样的装置的电池的工作温度通常在130至150℃的范围内。为了避免电池故障的后果(例如需要从井或钻孔中取出整个钻柱，或者甚至更糟的，井下电池爆炸)，电池必须在最高达150℃的温度下安全工作。为了避免在不可再充电电池耗尽时从井或钻孔中取出钻柱的需要，如果不仅可以在最高达150℃的温度下使电池工作而且还可以在这些温度下为电池再充电，将是高度有利的。此外，如今所有石油或天然气钻井作业的相当多数目位于其中环境温度可落入远低于
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20℃的极地地区。
[0004]因此，在将可再充电电池安装在用于井下使用的电装置或电子装置中之前，具有可以在
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20℃或更低的温度下工作的可再充电电池也将是有利的。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的目的是提供一种可再充电锂离子电池，其在宽温度范围内以及尤其是在高温，即高于130℃的温度下是安全的。
[0006]本专利技术的另外的目的是提供一种可再充电锂离子电池，其可以在宽温度范围内以及尤其是在高温，即高于130℃的温度下，以高容量进行再充电。
[0007]本专利技术的还另外的目的是提供一种可再充电锂离子电池，其中电池的工作可以在宽温度范围内以及尤其是在低温，即低于
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25℃的温度下进行。
[0008]本专利技术的另一目的是提供一种可再充电锂离子电池，其中复合阳极和复合阴极各自可以以常规方式通过用活性材料涂覆薄金属集流体制成，其中阳极的涂覆的金属集流体、隔膜层以及阴极的涂覆的金属集流体可以彼此叠加以产生层状阳极、隔膜和阴极组件，并且其中然后可以将层状阳极、隔膜和阴极组件浸入液体电解质中。
[0009]为了实现这些目的，本专利技术提出了一种可再充电锂离子电池，其具有壳体以及在壳体内的至少一个电池单元，其中至少一个电池单元包括液体电解质、具有涂覆有至少一种活性材料和至少一种粘合剂的层的金属集流体的复合阳极、具有涂覆有至少一种活性材料和至少一种粘合剂的层的金属集流体的复合阴极以及布置在复合阳极与复合阴极之间的隔膜，其中液体电解质包括离子液体、至少一种有机化合物和锂盐，其中阳极的活性材料是锂钛氧化物(LTO)，其中当浸入所述液体电解质中时，阴极、阳极和隔膜在最高达至少150
℃的温度下是耐热的，并且其中电池在
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30℃至150℃的温度范围内放电和可再充电。
[0010]在用不同的液体电解质、不同的阳极的活性材料以及不同的阴极的活性材料的大量测试中，包括离子液体、至少一种有机化合物和锂盐的液体电解质与具有锂钛氧化物(LTO)作为活性材料的阳极的组合已被证明是最耐热的，并且在宽工作温度范围内且在高工作温度下以高容量提供放电和再充电能力。根据本专利技术的可再充电锂离子电池提供了在
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30℃至150℃的宽工作温度范围内的安全工作。可以进一步将这些电池暴露于150℃的温度下进行多个充电和放电循环，而没有任何显著的电池劣化。电池的充电可以在低至
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30℃的温度下进行。
[0011]其中阳极的活性材料由锂钛氧化物(LTO)组成的锂离子电池单元的特征在于电池单元电压略低于具有石墨阳极的常规锂离子电池单元的电池单元电压，以及因此具有较小的能量密度。另一方面，如果将这些电池单元小心处理，则这些电池单元具有多于10,000个循环的非常长的寿命。此外，这种类型的锂离子电池单元适合用于高充电和放电率，然而迄今为止还没有建议在高温下使用。
[0012]本专利技术的另一优点是，通过改变液体电解质中离子液体与至少一种有机化合物的比例，不仅可以使电池的性能适应需求，即在低电流且低温下缓慢再充电或者在高电流且较高温度下快速再充电，而且也使工作温度范围的上限和下限适应需求，即较高或较低的环境温度。
[0013]本专利技术的另外的优点是电池可以以常规方式生产：为了分别提供复合阳极和复合阴极，以薄金属层形式的集流体部分涂覆有包括至少一种活性材料、至少一种粘合剂和溶剂的浆料。在将浆料干燥之后，可以将具有干燥的浆料的集流体收集在辊上。在组装复合阳极和复合阴极之前，将隔膜插入在相邻电极之间。然后形成由隔膜/阳极/隔膜/阴极单元组成的长片卷，或者组装由隔膜/阳极/隔膜/阴极/隔膜单元的重复组成的棱柱堆叠体。这这两种情况下，金属集流体箔的一部分没有被涂覆。所有阳极的未涂覆区域将连接到第一集流体极耳并且所有阴极的未涂覆区域将连接到第二集流体极耳。集流体极耳将在电池壳体内连接到两个电池端子的内部。
[0014]然后将所得层状组件插入到壳体中，并将液体电解质填充到电池单元中。
[0015]优选的实施方式的详细描述
[0016]根据本专利技术的优选的实施方式，分别涂覆有阳极和阴极的活性材料的集流体有利地各自具有小于0.04μΩ
.
m的比电阻以便最小化电池单元内的内部损耗和热生成两者。优选地，集流体由铝或铝合金制成。以这种方式，进一步促进了电池的常规生产，并且降低了生产成本。
[0017]有利地，阴极的活性材料选自由以下组成的组：LiFePO4(LFP)、LiCoO2、LiMnO、LiMnNiO以及Li(Ni
x
Mn
y
Co
x
)O2(NMC)。最优选地，阴极的活性材料是LFP，因为LFP阴极、LTO阳极以及包括离子液体、至少一种有机化合物和锂盐的液体电解质的组合在耐温性以及在宽温度范围内且在高温下以及甚至在低于0℃的温度下工作的方面已经示出最好的结果。
[0018]优选地，隔膜包括至少一个非织造纤维隔膜材料层，其中纤维隔膜材料合宜地选自由以下组成的组：纤维素、聚酰胺、聚丙烯酸、聚芳酰胺、聚酰亚胺和/或聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二酯。这些隔膜材料的高熔点有助于提供有由这些材料制成的隔膜的锂离子电池单元的耐高温性。隔膜可以由那些纤维隔膜材料中的仅一种制成，然而也可以由两种或
更多种不同的纤维隔膜材料的组合制成。最优选的是包括由纤维素、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯组成的三种不同的非织造纤维隔膜材料的隔膜。
[0019]根据本专利技术，复合阳极和复合阴极各自包括至少一种粘合剂。粘合剂确保活性材料的最佳分散，在电池的生产期间和其使用期间两者中提供机械稳定性，并增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种可再充电锂离子电池(10)，具有壳体(14)以及在所述壳体(14)内的至少一个电池单元(12)，其中所述至少一个电池单元(12)包括液体电解质(16)、具有涂覆有至少一种活性材料和至少一种粘合剂的层的金属集流体(24)的复合阳极(22)、具有涂覆有至少一种活性材料和至少一种粘合剂的层的金属集流体(30)的复合阴极(28)以及布置在所述复合阳极(22)与所述复合阴极(28)之间的隔膜(34)，其特征在于，所述液体电解质(16)包括离子液体、至少一种有机化合物和锂盐，其中，所述复合阳极(22)的活性材料是锂钛氧化物(LTO)，其中，当浸入所述液体电解质(16)中时，所述复合阴极(28)、所述复合阳极(22)以及所述隔膜(34)在高于150℃的温度下是耐热的，并且其中，所述电池在
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30℃至150℃的温度范围内是可再充电的。2.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述复合阳极(22)和所述复合阴极(28)的金属集流体(24，30)各自具有的比电阻小于0.04μΩ
.
m。3.根据权利要求1或2所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述复合阳极(22)和所述复合阴极(28)的金属集流体(24，30)各自由铝或铝合金组成。4.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述复合阴极(28)的活性材料选自由以下组成的组：LiFePO4(磷酸铁锂(LFP))、Li(Ni
x
Mn
y
Co
x
)O2(NMC)(锂镍锰钴氧化物)、LiCoO2(锂钴氧化物)、LiMnO(锂锰氧化物)、LiMnNiO(锂锰镍氧化物)，以及优选地是LFP。5.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述至少一种粘合剂包括是丁苯橡胶(SBR)。6.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述隔膜(34)包括至少一个非织造纤维隔膜材料层。7.根据权利要求6所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述纤维隔膜材料选自由以下组成的组：纤维素、聚酰胺、聚丙烯酸、聚芳酰胺、聚酰亚胺和/或聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二酯。8.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述隔膜(34)包括由纤维素、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯组成的三种不同的非织造纤维隔膜材料。9.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述隔膜(34)具有的孔隙率大于10％。10.根据权利要求1所述的可再充电锂离子电池(10)，其特征在于，所述有机化合物选自由以下组成的组：低分子量聚合物、有机碳酸酯或γ
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丁内酯、γ
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戊内酯或δ
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戊内酯。11.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗，
申请(专利权)人：卡斯特姆赛尔斯伊策霍有限责任公司，
类型：发明
国别省市：