电解质处理系统及方法技术方案

一种用于去除在电化学电池中使用的非水性电解质中的杂质的装置、系统和方法。所述装置包括具有一个或多个腔室的容器以及位于所述一个或多个腔室内的无机清除剂，所述腔室具有配置为允许电解质通过所述一个或多个腔室的流动的入口和出口。所述无机清除剂包括一种或多种类型的沸石颗粒、至少一种类型的吸附性填料颗粒、或沸石颗粒和吸附性填料颗粒的组合。所述无机清除剂吸附所述非水性电解质中作为杂质存在的水分、游离的过渡金属离子或氟化氢(HF)中的一种或多种。氢(HF)中的一种或多种。氢(HF)中的一种或多种。

【技术实现步骤摘要】
电解质处理系统及方法


[0001]本专利技术总体上涉及去除在诸如锂离子二次电池组(battery)的电化学电池(cell)中使用的电解质中存在的HF、水分或其他杂质的无机清除剂。更具体地，本公开涉及使用沸石颗粒和吸附性填料颗粒的混合物作为无机清除剂的装置和系统以及方法。

技术介绍

[0002]本部分中的陈述仅提供涉及本公开的背景信息，并不构成现有技术。
[0003]锂离子二次电池电池组的一个主要优点是它们在变得无效之前可多次充电。锂离子二次电池组进行多次充放电循环的能力源于发生的氧化还原反应的可逆性。锂离子二次电池组由于其高能量密度而被广泛用作许多便携式电子设备(如手机、笔记本电脑等)、电动工具、电动汽车和电网储能的能源。
[0004]然而，存在可以导致锂离子二次电池组的性能下降的多种因素。这些因素之一是非水性电解质中多种有害物质的存在。这些有害物质包括水分(例如水或水蒸气)、氟化氢(HF)和溶解的过渡金属离子(TM
n+
)。
[0005]电解质中的水分主要作为制造残留物产生和由有机电解质的分解产生。尽管需要干燥的环境，但在电池组或电池组电池的生产中使用的传统制造工艺不能完全排除水分的存在。电解质中的有机溶剂倾向于分解产生CO2和H2O，尤其是当电池组在高温下运行时。水(H2O)可以与锂盐如LiPF6反应，导致氟化锂(LiF)和氟化氢(HF)的生成。由锂离子电池组中存在的水分残留物发生的反应如方程式1)和方程式2)所示，其中M代表通常存在于正极材料中的过渡金属。
[0006][0007]不可溶的氟化锂(LiF)可以沉积在阳极或阴极的活性材料的表面上，形成固体电解质界面(SEI)。这种固体电解质界面(SEI)会减少或延迟锂离子嵌入(脱嵌)并使活性材料的表面失活，从而导致较差的倍率性能和/或容量损失。
[0008]此外，当氟化氢(HF)存在时，其可能会侵蚀含有过渡金属和氧离子的正极，导致形成更多的水和在组成上与活性材料不同的过渡金属化合物。当水存在并用作反应物时，发生的反应可能会变成循环的，导致对电解质和活性材料的持续破坏。
[0009]此外，形成的过渡金属化合物可能是不可溶的和电化学惰性的。这些过渡金属化合物可以停留在正极的表面上，从而形成固体电解质界面(SEI)或钝化层。另一方面，任何可溶的过渡金属化合物都可以溶解到电解质中，产生过渡金属离子(TM
n+
)。这些游离的过渡金属离子，例如Mn
2+
和Ni
2+
，可以向阳极移动，在那里它们可以沉积为SEI，导致引入多种不同的反应。这些反应可以消耗电极的活性材料和电解质中存在的锂离子，也会导致锂离子
二次电池组的容量损失。
[0010]在运行过程中，希望锂离子二次电池组表现出的库仑效率或电流效率和放电容量保持相对恒定。库仑效率描述了电子在电池组内传输的充电效率。放电容量代表可以从电池组中提取的电荷量。锂离子二次电池组可能由于长时间暴露于水分(例如水)、氟化氢(HF)和溶解的过渡金属离子(TM
n+
)而经受容量和/或效率的退化。事实上，一旦20％或更多的原始可逆容量丢失或变得不可逆，锂离子二次电池组的寿命就会受到严重限制。延长锂离子二次电池组的可充电容量和整体寿命的能力可以降低更换成本并减少处理和回收的环境风险。

技术实现思路

[0011]本公开总体上涉及一种用于去除在电化学电池中使用的非水性电解质中的杂质的装置。更具体地，本公开涉及使用沸石颗粒和吸附性填料颗粒的混合物作为无机清除剂的装置和系统以及方法。
[0012]根据本公开的一个方面，所述装置包括包括一个或多个腔室的容器以及位于所述一个或多个腔室内的无机清除剂，所述腔室具有配置为允许电解质通过所述一个或多个腔室的流动的入口和出口。所述无机清除剂包括一种或多种类型的沸石颗粒、至少一种类型的吸附性填料颗粒；或所述沸石颗粒和所述吸附性填料颗粒的组合。所述无机清除剂吸附所述非水性电解质中作为杂质存在的水分、游离的过渡金属离子或氟化氢(HF)中的一种或多种。这种无机清除剂可以通过离子交换机制清除过渡金属阳离子和氢氟酸。
[0013]所述容器构造有具有预定容积的腔室，使得所述容器可以承受于最高至500psi的压力和约50℃的温度的暴露，同时表现出在所述电解质的存在下化学抵抗物理性能的退化。所述容器还可以包括至少一个阀，配置为在所述阀打开时允许电解质通过所述腔室的流动。
[0014]所述一种或多种类型的沸石颗粒和所述吸附性填料颗粒填充所述腔室，使得组成(composition)包括沸石颗粒和吸附性填料颗粒的均质混合物、沸石颗粒和吸附性填料颗粒的梯度混合物、或沸石颗粒和吸附性填料颗粒的分隔区域。沸石颗粒与吸附性填料颗粒的比例可以为1:3至3:1。所述一种或多种类型的沸石颗粒和吸附性填料颗粒可以以松散堆积的颗粒存在；以被压实以形成适于装入所述腔室的至少一种片剂、圆盘或挤出物的形状的颗粒存在；或以它们的组合存在。所述松散堆积的颗粒可以通过形成所述腔室的容器的内表面，通过将一个或多个膜、筛网或过滤器并入到所述腔室中，或它们的组合而保持在适当位置，前提是这样的膜、筛网或过滤器允许所述电解质从其中通过。
[0015]所述沸石颗粒表现出具有FAU结构、MFI结构、CHA结构、LTA结构、BEA结构或其混合的骨架以及范围为1至约100的二氧化硅与氧化铝比率(SAR)。所述沸石颗粒可以包括基于所述沸石类型的总重量的小于25重量％的钠离子浓度。所述沸石颗粒可以是锂离子交换沸石，其中锂离子已被交换为钠离子，使得所述锂离子的浓度为基于所述一种或多种类型的沸石颗粒的总重量的约0.5重量％至约20重量％。
[0016]所述吸附性填料颗粒基本上由氧化铝、硫酸铜、硅胶、氯化钙、硫酸钙或其混合物组成。所述无机清除剂可以包括范围为约5微米(μm)至约100微米(μm)的粒度(D
50
)。沸石颗粒类型的粒度(D
50
)和吸附性填料颗粒的粒度(D
50
)可以相差至少2倍。
[0017]所述非水性电解质是锂盐分散在有机溶剂中的溶液。这种非水性电解质可以是LiPF6在碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯(EC/DEC＝50/50体积)的混合物中的溶液。
[0018]根据本公开的又一方面，提供了一种用于去除在电化学电池中使用的非水性电解质中的杂质的处理系统。所述系统包括：储罐，容纳所述非水性电解质；泵，配置为使所述非水性电解质流动；电化学电池；至少一个如上所述且在本文中进一步定义的装置，与所述储罐和所述电化学电池两者是流体连通的；和计量器，配置为允许预定量的所述非水性电解质填充所述电化学电池。所述装置包括具有一个或多个腔室的容器以及位于所述一个或多个腔室内的无机清除剂，所述腔室具有配置为允许所述电解质通过其的流动的入口和出口，所述无机清除剂包括一种或多种类型的沸石、至少一种类型的吸附性填料颗粒、或所述沸石颗粒和所述吸附性填料颗粒的组合。所述无机清除剂吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于去除在电化学电池中使用的非水性电解质中的杂质的装置；所述装置包括：容器，包括具有入口和出口的一个或多个腔室；所述入口和所述出口配置为允许所述电解质通过所述一个或多个腔室的流动；以及无机清除剂，位于所述一个或多个腔室内；所述无机清除剂包括一种或多种类型的沸石颗粒、至少一种类型的吸附性填料颗粒；或所述沸石颗粒和所述吸附性填料颗粒的组合；其中，所述无机清除剂吸附所述非水性电解质中作为杂质存在的水分、游离的过渡金属离子或氟化氢(HF)中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述容器构造有具有预定容积的腔室，使得所述容器可以承受于最高至500psi的压力和约50℃的温度的暴露，同时在所述电解质存在下化学抵抗物理性能的退化。3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其中，所述一种或多种类型的沸石颗粒呈现出具有FAU结构、MFI结构、CHA结构、LTA结构、BEA结构或其混合的骨架以及范围为1至约100的二氧化硅与氧化铝比率(SAR)。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的装置，其中，所述吸附性填料颗粒基本上由氧化铝、硫酸铜、硅胶、氯化钙、硫酸钙或其混合物组成。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的装置，其中，所述无机清除剂的粒度(D
50
)的范围为约5微米(μm)至约100微米(μm)。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的装置，其中，所述一种或多种类型的沸石颗粒包括基于沸石类型的总重量的小于25重量％的钠离子浓度。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述一种或多种类型的沸石颗粒是锂离子交换沸石，其中锂离子已被交换为钠离子，使得所述锂离子的浓度为基于所述一种或多种类型的沸石颗粒的总重量的约0.5重量％至约20重量％。8.根据权利要求1
‑
7中任一项所述的装置，其中，所述无机清除剂通过离子交换机制清除过渡金属阳离子和氢氟酸。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的装置，其中，所述非水性电解质是锂盐分散在有机溶剂中的溶液。10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述非水性电解质是LiPF6在碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯(EC/DEC＝50/50体积)的混合物中的溶液。11.根据权利要求1
‑
10中任一项所述的装置，其中，所述容器还包括至少一个阀，配置为当所述阀打开时允许所述电解质通过所述腔室的流动。12.根据权利要求1
‑
11中任一项所述的装置，其中，所述一种或多种类型的沸石颗粒和所述吸附性填料颗粒填充所述腔室，使得组成包括沸石颗粒和吸附性填料颗粒的均质混合物、沸石颗粒和吸附性填料颗粒的梯度混合物、或沸石颗粒和吸附性填料颗粒的分隔区域。13.根据权利要求1
‑
12中任一项所述的装置，其中，所述沸...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：太平洋工业发展公司，
类型：发明
国别省市：