锂离子电池制造技术

披露了提供具有高能量密度的锂离子电池配置的系统和方法。实施例提供了锂离子电池，这些锂离子电池包含包括30至85wt.％的硅的阳极，从而促进了这些锂离子电池的高能量密度和高N:P比率。该高N:P比率进一步使得实现这些锂离子电池的快速充电和低温充电性能。离子电池的快速充电和低温充电性能。离子电池的快速充电和低温充电性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂离子电池
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请要求2020年3月23日提交的美国专利申请号16/827,365的优先权权益，该美国专利申请通过引用以其整体特此并入。


[0003]本专利技术总体上涉及电池。更具体地，本专利技术涉及被配置为提供高功率和高能量密度、具有高的热稳定性的锂离子电池。

技术介绍

[0004]各种形式的电池的使用在当今世界已变得几乎无处不在。随着越来越多的便携式装置或无绳装置(如电动工具(例如，钻孔机、锯、割草机、鼓风机、打磨机等)、小型器具(例如，混合器、搅拌机、咖啡研磨机等)、通讯装置(例如，智能手机、个人数字助理等)、以及办公设备(例如，计算机、平板电脑、打印机等))的广泛使用，使用化学过程和配置不同的电池技术很常见。
[0005]近年来，锂离子电池(LiB)配置在关于便携式装置或无绳装置、以及电动车辆的使用方面已得到了普及。虽然与如NiCd等的电池配置相比，LiB可能提供较不稳定的化学过程(例如，包含可燃电解液)，但是与许多可再充电电池配置(例如，NiCd和NiMH(镍金属氢化物))相比，具有更高的能量密度和更低的毒性水平，典型地不具有记忆效应并且经历低自放电，并因此提供了当今便携式装置或无绳装置中常用的可再充电电池配置。
[0006]便携式装置或无绳装置的尺寸和重量通常是重要的考虑。由于车载可再充电电池系统(通常包括呈电池组形式的多个单独电池)的尺寸和重量通常对便携式装置或无绳装置的整体尺寸和/或重量具有明显的贡献，因此可再充电电池的尺寸和重量在主机装置的设计中可能是重要的。此类尺寸和重量关注与对于储存和递送足够功率以使得实现主机便携式或无绳装置、或电动车辆的有效和所需使用的需求相平衡。

技术实现思路

[0007]目前可用的锂离子电池具有若干缺点。例如，作为最常用的阳极材料之一的石墨由于其有限的容量/单位体积和/或单位重量已经变成阻止锂离子电池的能量密度显著改善的主要限制因素之一。例如，100％完全锂化的石墨相比于100％完全锂化的硅的3400至4200mAh/g具有330至372mAh/g的容量，尽管这些材料在电池制造领域中的使用方式并不构成其全容量。随着对具有更高能量密度的电池的需求持续增加，其他具有高得多的容量的材料(如硅)已经被用作石墨的添加剂以改善阳极容量。然而，当用于锂离子电池的阳极时，硅在电池充电时倾向于显著膨胀(最高达300％)，导致需要额外的电池体积以适应硅的膨胀，该膨胀引发了安全问题，因为阳极在电池或电池单元的有限空间内的膨胀可能导致对电池或电池单元的结构完整性的损坏，分别影响性能和能量密度。另外，硅在阳极中的膨胀可能产生粘附性问题并且引入在阳极中使用额外的粘合剂的需要。目前可用的锂离子电池
中的阳极通常限制至约30wt.％的最大硅浓度以避免这些问题(例如，由于硅膨胀)。因此，当尝试改善锂离子电池的能量密度和/或功率密度时，超过30wt.％的硅阳极目前表现出尚未解决的设计约束。
[0008]另外，目前可用的锂离子电池具有相对慢的充电倍率，这可能限制了其在许多领域的应用。更具体地，因为阳极中使用的石墨具有有限的容量/单位体积和单位重量，因此略微大于一的N:P比率(例如，1.05的N:P比率)通常用于商业锂离子电池以限制阳极(石墨)的占用面积。由于阳极容量相对于阴极容量的有限过剩，因此目前可用的锂离子电池必须缓慢充电以避免过度充电导致的不利影响。目前可用的锂离子电池的缓慢充电的另一个原因是在充电期间，石墨阳极达到了锂还原电位，这在快速充电过程和/或冷充电条件下可能导致形成锂枝晶。
[0009]已经发现了与锂离子电池有关的上述问题的至少一些的解决方案并且该解决方案使得实现包含具有30至85wt.％的硅含量的阳极的锂离子电池。值得注意地，因为与石墨相比，硅具有显著更高的容量/单位体积和单位重量，因此阳极中的高硅含量可以帮助减小锂离子电池中的阳极的总体积和/或重量。这对于至少减小达到预定容量所需的锂离子电池体积，产生改善的能量密度可以是有益的。相比于含有低的硅或基本上不含硅的阳极，阳极中的高浓度的硅进一步有助于减小锂离子电池的阳极的厚度。
[0010]此外，用于形成本披露的锂离子电池的阳极的硅材料被配置为当电池充电后(或充电时)展现出有限的体积膨胀，从而减轻对于适应硅膨胀的额外的电池体积的需要，减小由在电池的有限空间内的硅膨胀而引起的风险，并且最终使得实现锂离子电池中如85wt.％一样高的阳极硅含量。例如，用于硅的具有高的直径与长度比率的长径比的硅纳米线仅沿优选方向膨胀，从而控制电池单元的总膨胀。也可以使用被柔性石墨烯片封装的硅颗粒，因为石墨烯片充当柔性膜用于限制硅颗粒的膨胀。也可以在阳极中实施过量的硅以防止硅开始全体积膨胀。最后但同样重要的，阳极中的硅的至少一些可以呈氧化硅形式以找到阳极容量和体积膨胀的平衡点，因为相比于硅，氧化硅具有较低的体积膨胀但较低的容量。
[0011]此外，在阳极中使用高浓度的硅(具有为石墨容量的约5至10倍容量)可能导致本披露的锂离子电池的高N:P比率(负电极容量比正电极容量)。相比于阴极容量的过量的阳极容量可以促进锂离子电池的快速充电和/或低温充电，其中在不利影响上具有最小的问题。过量的硅阳极被配置为帮助防止阳极达到镀锂电位并形成锂枝晶。此外，本披露的锂电池可以包括不可燃的电解液(包括离子液体)，从而增强本披露的锂离子电池的安全性。
[0012]相比于目前可用的锂离子电池，在本专利技术的实施例中所披露的锂离子电池示出显著改善的能量密度同时满足用于各种装置所需的安全标准，这些装置包括但不限于，电动工具、真空吸尘器、草坪和园艺设备、电动车辆、便携式智能装置。根据本专利技术的实施例，由于从至少1.2至4的N:P比率，锂离子电池可以在约0℃的低温下以最高达5C至10C(例如，分别在12
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6分钟内充电)的充电倍率并且在约
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20℃的低温下最高达4C(即15分钟)充电，从而进一步使得锂离子电池能够在需要在低温环境下操作和充电的装置和/或电动车辆中使用。“充电倍率”可以被定义为电流或“C
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倍率”。因此，本披露的锂离子电池提供了关于上述目前可用的锂离子电池(如低能量密度、缓慢充电倍率、以及缺乏在低温下再充电的能力)的技术成就。
[0013]以下包括整个本说明书中使用的各种术语和短语的定义。
[0014]术语“约”或“大致”被定义为接近于，如本领域普通技术人员所理解的。在一个非限制性实施例中，这些术语被定义为在10％以内、优选在5％以内、更优选在1％以内、并且最优选在0.5％以内。
[0015]术语“wt.％”、“vol.％”、或“mol.％”分别是指组分的重量、体积、或摩尔百分比(基于包括该组分的材料的总重量、总体积、或总摩尔数)。在非限制性实例中，100摩尔的材料中10摩尔的组分是10mol.％的组分。
[0016]术语“基本上”及其变型被定义为包括10％以内、5％以内、1％以内、或0.5％以内的范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂离子电池(LiB)，其包含：阳极，该阳极包含大于30wt.％的硅；阴极，该阴极包含锂金属氧化物；以及布置在该阳极与该阴极之间的电解液；其中该锂离子电池被配置为具有至少800Wh/L的能量密度。2.如权利要求1所述的锂离子电池，其中，该锂离子电池具有大于1.2的N:P比率，其中该N:P比率表示该阳极与该阴极的面积容量比率。3.如权利要求2所述的锂离子电池，其中，该锂离子电池具有在1.2至4.0的范围内的N:P比率。4.如权利要求1所述的锂离子电池，其中，该阳极包含31至85wt.％的硅。5.如权利要求1所述的锂离子电池，其中，该阳极包含被配置为减轻硅在该阳极上的膨胀的硅纳米线、封装在碳中的硅、硅
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石墨烯共混物、硅和弹性聚合物混合物、或其任何组合。6.如权利要求5所述的锂离子电池，其中，这些硅纳米线具有在100至1000nm的范围内的平均直径。7.如权利要求5所述的锂离子电池，其中，这些硅纳米线进一步包含掺杂剂，该掺杂剂包括锡、锗、铁、铝、镁、或其任何组合。8.如权利要求5所述的锂离子电池，其中，该封装在碳中的硅具有在0.1至4的范围内的硅与碳重量比。9.如权利要求5所述的锂离子电池，该封装在碳中的硅具有0.5至10μm的平均直径。10.如权利要求5所述的锂离子电池，其中，该弹性聚合物包含聚丙烯酸、羧甲基纤维素、或其任何组合。11.如权利要求5所述的锂离子电池，其中，该硅
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石墨烯共混物具有在0.5至4的范围内的硅与石墨烯重量比。12.如权利要求5所述的锂离子电池，其中，该阳极进一步包含涂覆在该硅上、或与该硅混合的碳基材料。13.如权利要求12所述的锂离子电池，其中，该碳基材料包含石墨、石墨烯、或其他碳基材料。14.如权利要求12所述的锂离子电池，其中，与该碳基材料混合的该硅具有在10至30μm的范围内的厚度。15.如权利要求1所述的锂离子电池，其中，该阳极的硅与次级材料混合，该次级材料包含锡、锑、锗、或其任何组合。16.如权利要求15所述的锂离子电池，其中，该次级材料与硅以在100:1至1:100的范围内的硅与次级材料重量比混合。17.如权利要求1所述的锂离子电池，其中，该阳极被配置为具有在3400
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【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：创科无线普通合伙，
类型：发明
国别省市：