锂离子电池以及用于制造锂离子电池的方法技术

本发明专利技术涉及一种锂离子电池，其具有包括复合阴极活性材料的阴极和包括阳极活性材料的阳极。所述复合阴极活性材料至少包括第一和第二阴极活性材料，第二阴极活性材料为具有橄榄石结构的化合物并且至少第一阴极活性材料的锂化度不同于第二阴极活性材料的锂化度。在锂离子电池的电解质填充或第一次放电过程和/或充电过程之前，第一阴极活性材料的锂化度高于第二阴极活性材料的锂化度。阳极活性材料在锂离子电池的电解质填充或第一次放电过程和/或充电过程之前被预锂化。本发明专利技术还涉及一种用于制造这种锂离子电池的方法。制造这种锂离子电池的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂离子电池以及用于制造锂离子电池的方法


[0001]本专利技术涉及一种锂离子电池以及一种用于制造锂离子电池的方法。

技术介绍

[0002]在下文中，术语“锂离子电池”与现有技术中用于含锂的电流元件和电池单体的所有常用术语、如锂电池、锂电池单体、锂离子电池单体、锂聚合物电池单体和锂离子蓄电池同义。尤其是也包括可充电电池(二次电池)。术语“电池”和“电化学电池单体”也与术语“锂离子电池”同义使用。锂离子电池也可以是固态电池、如陶瓷或聚合物基固态电池。
[0003]锂离子电池具有至少两个不同的电极，即正极(阴极)和负极(阳极)。这些电极中的每一个至少包括活性材料，可选地与添加剂、如电极粘合剂和导电添加剂一起。
[0004]锂离子技术的一般说明可在“锂离子电池手册”(出版商Reiner Korthauer，Springer，2013)的第9章(锂离子电池，作者Thomas)以及“锂离子电池：基础与应用”(编辑Reiner Korthauer，Springer，2018)一书的第9章(锂离子电池，作者Thomas)中找到。适合的阴极活性材料由EP 0 017 400 B1已知。
[0005]在锂离子电池中，阴极活性材料和阳极活性材料都必须能够可逆地吸收或释放锂离子。
[0006]如今，在现有技术中，锂离子电池在完全未充电的状态中进行组装和装配。这相应于锂离子完全插入、即嵌入阴极中的状态，而阳极通常没有活性的，即能够可逆地环化的锂离子。
[0007]在锂离子电池的第一次充电过程中(该过程也称为“化成”)，锂离子离开阴极并嵌入阳极中。第一次充电过程包括复杂的过程，在其中锂离子电池的不同成分之间会发生大量反应。
[0008]在此特别重要的是，在阳极上的活性材料和电解质之间形成界面，其也称为“固体电解质界面”或“SEI”。SEI(其也可以看作是保护层)的形成主要归因于电解质与阳极活性材料表面的分解反应。
[0009]然而，需要锂来形成SEI，该锂在后来不再用于充电过程和放电过程中的循环。第一次充电后的容量和第一次放电后的容量之间的差异(与充电容量之比)被称为化成损失并且根据所使用的阴极和阳极材料可在约5％到40％的范围内。
[0010]因此，阴极活性材料必须过量，即以更大的量被提供，以便在化成损失后也能实现期望的成品锂离子电池的标称容量，由此增加了制造成本并降低了电池的比能量。由此也增加了对制造阴极活性材料所需的有毒和/或不易获得的金属、如钴和镍的需求。
[0011]从EP 3 255 714 B1可以看出，在电池单体中提供由锂合金制成的附加的锂储备部，以便能够补偿电池单体化成时和/或电池单体运行中的锂损失。然而，提供附加部件导致更复杂的电池单体结构、额外的制造工序，这些制造工序部分增加工作量并提高成本。
[0012]在现有技术中已知的电池生产中，锂离子电池首先在未充电的状态中进行组装并且随后化成。化成是一个极其昂贵的工序，因为它既需要提供特殊设备，又必须遵守高安全
标准，尤其是在防火方面的高安全标准。

技术实现思路

[0013]本专利技术的任务是提供一种具有更高比能量和更高电流负载能力的锂离子电池，以及一种用于制造这种锂离子电池的成本适宜的方法。尤其是用于制造这种锂离子电池的方法应比已知方法更简单。
[0014]根据本专利技术，所述任务通过一种锂离子电池来解决，该锂离子电池具有包括复合阴极活性材料的阴极和包括至少一个阳极活性材料的阳极。所述复合阴极活性材料至少包括第一和第二阴极活性材料，第二阴极活性材料为具有橄榄石结构的化合物。第一阴极活性材料具有锂化度a并且第二阴极活性材料具有锂化度b。在锂离子电池的第一次放电过程和/或充电过程之前，第二阴极活性材料的锂化度b低于第一阴极活性材料的锂化度a。阳极活性材料在锂离子电池的第一次放电过程和/或充电过程之前被预锂化。
[0015]尤其是在锂离子电池被填充电解质之前，第一阴极活性材料的锂化度a高于第二阴极活性材料的锂化度b。在锂离子电池被填充电解质之前，第二阴极活性材料的锂化度b尤其是小于1。
[0016]术语“锂化度”是指锂离子和/或金属锂形式的能可逆环化的锂的含量与活性材料的能可逆环化的锂的最大含量之比。换句话说，锂化度是最大可环化的锂含量的百分之多少嵌入或者说插入活性材料结构内的量度。
[0017]锂化度1表示完全锂化的活性材料，而锂化度0表示完全脱锂的活性材料。
[0018]锂化度例如在化学计量橄榄石LiFePO4中为1并且在纯FePO4中相应地为0。
[0019]第一阴极活性材料可包括现有技术中已知的所有正极活性材料或由其组成。
[0020]优选地，第一阴极活性材料选自下组：包括过锂化氧化物(OLO)的层状氧化物、具有橄榄石结构的化合物、具有尖晶石结构的化合物及其组合。
[0021]第一阴极活性材料与第二阴极活性材料至少在相应的锂化度方面不同。
[0022]在这个意义上，第一和第二阴极活性材料也可选自相同的化合物类别，例如具有不同锂含量和/或不同化学组成的两种橄榄石。
[0023]尤其是第一和第二阴极活性材料在结构上是不同的。例如第一阴极活性材料作为层状氧化物存在，而第二阴极活性材料作为具有橄榄石结构的化合物存在。层状氧化物可包含过锂化氧化物(OLO)。
[0024]第二阴极活性材料可基于其橄榄石结构在锂的嵌入方面具有比第一阴极活性材料更低的动力学阻碍，尤其是当第一阴极活性材料是层状氧化物时。
[0025]第二阴极活性材料的使用——该第二阴极活性材料在第一次放电过程和/或充电过程之前具有比第一阴极活性材料更低的锂化度并且一般来说对于锂嵌入的动力学阻碍也更低——可以使得在第一次充电过程之后不能再嵌入第一阴极活性材料中的相应的锂离子量在放电期间在通常的电流率下可以再次离开阳极并嵌入阴极中。这部分锂离子尤其是嵌入第二阴极活性材料中。由此，可减少在第一次充电过程中发生的化成损失，从而提高具有这种复合阴极活性材料的锂离子电池的能量密度或比能量或标称容量。
[0026]由于在填充电解质后并且尤其是在第一次放电循环期间锂离子也嵌入第二阴极活性材料中，因此第一和第二阴极活性材料的锂化度之比在填充电解质后和/或在第一次
放电过程和/或充电过程后可不同于复合阴极活性材料中的初始状态。但由于化成损失几乎仅发生在第一次放电过程和/或充电过程中，因此复合阴极活性材料的初始状态对于避免化成损失尤为重要。因此，关于根据本专利技术的复合阴极活性材料中的第一和第二阴极活性材料的锂化度的说明涉及在第一次放电过程和/或充电过程之前的以及尤其是在填充电解质之前的状态。
[0027]根据本专利技术，在锂离子电池的第一次放电过程和/或充电过程之前对阳极活性材料进行预锂化。术语“预锂化”是指在阳极活性材料中在锂离子电池的第一次放电过程和/或充电过程之前、尤其是在填充电解质之前至少部分锂已经在阳极活性材料的结构中存在、尤其是嵌入和/或合金化。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.锂离子电池，具有包括复合阴极活性材料的阴极和包括阳极活性材料的阳极，所述复合阴极活性材料至少包括第一和第二阴极活性材料，第二阴极活性材料为具有橄榄石结构的化合物，第一阴极活性材料具有锂化度a，并且第二阴极活性材料具有锂化度b，在锂离子电池的第一次放电过程和/或充电过程之前，第二阴极活性材料的锂化度b低于第一阴极活性材料的锂化度a，并且阳极活性材料在锂离子电池的第一次放电过程和/或充电过程之前被预锂化。2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一阴极活性材料选自下组：包括过锂化氧化物(OLO)的层状氧化物、具有橄榄石结构的化合物、具有尖晶石结构的化合物及其组合。3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，在所述第一阴极活性材料的锂化度与第二阴极活性材料的锂化度之间的差为0.1或更高、优选为0.5或更高。4.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述层状氧化物包含镍和钴、尤其是镍
‑
钴
‑
锰化合物或镍
‑
钴
‑
铝化合物。5.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一和/或第二阴极活性材料中的具有橄榄石结构的化合物包括基于铁、基于铁和锰或基于钴和/或镍的化合物。6.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，关于所述复合阴极活性材料的总重量，第二阴极活性材料的重量份额低于第一阴极活性材料的重量份额。7.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述阳极活性材料选自下组：含碳材料、硅、低氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：