用于制造层状阳极材料的被动离子交换制造技术

本发明专利技术公开了用于制造层状阳极材料的被动离子交换。本公开提供了一种用于形成预锂化的层状阳极材料的方法。该方法包括使前体材料与包含一种或多种锂盐和一种或多种溶剂的电解质接触。电解质的摩尔浓度可大于或等于约0.1M至小于或等于一种或多种锂盐在一种或多种溶剂中的溶解度极限。前体材料可以是三维层状材料，并且前体材料与电解质的接触导致阳离子从前体材料中去除，并将锂离子从电解质中引入到通过去除阳离子而产生的层间空间或空隙中，以形成预锂化的层状阳极材料。以形成预锂化的层状阳极材料。以形成预锂化的层状阳极材料。

【技术实现步骤摘要】
用于制造层状阳极材料的被动离子交换


[0001]本专利技术涉及用于形成预锂化的层状阳极材料的方法、和形成预锂化的层状阳极材料的方法。

技术介绍

[0002]本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0003]需要先进的能量存储装置和系统来满足各种产品的能量和/或功率要求，所述产品包括汽车产品，例如启
‑
停系统(例如，12V启
‑
停系统)、电池组辅助系统、混合动力电动车辆(“HEV”)和电动车辆(“EV”)。典型的锂离子电池组包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。两个电极中的一个可用作正极或阴极，并且另一个电极可用作负极或阳极。填充有液体或固体电解质的隔离件可设置在负极和正极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子，并且与两个电极一样，可以是固体和/或液体形式和/或其混合物。在包括固态电极和固态电解质(或固态隔离件)的固态电池组的情况下，固态电解质(或固态隔离件)可物理地分隔电极，使得不需要不同的隔离件。
[0004]传统的可再充电锂离子电池组通过在负极和正极之间可逆地来回传递锂离子来工作。例如，锂离子可在电池组充电期间从正极移动到负极，而在电池组放电时沿相反方向移动。这种锂离子电池组可以根据需要可逆地向相关联的负载装置供电。更具体地，可以通过锂离子电池组向负载装置供应电力，直到负极的锂含量被有效地耗尽。然后，通过在电极之间沿相反方向通入合适的直流电流，电池组可被再充电。
[0005]在放电期间，负极可含有相对高浓度的嵌入锂，其被氧化成锂离子和电子。锂离子可从负极移动到正极，例如，通过含有在插入的多孔隔离件的孔内的离子导电电解质溶液。同时，电子从负极通过外部电路到达正极。这样的锂离子可通过电化学还原反应被吸收到正极的材料中。电池组可在其可用容量被外部电源部分或完全放电之后被再充电或再生，其逆转了放电期间发生的电化学反应。
[0006]许多不同的材料可用于制造锂离子电池组的组件。例如，用于锂电池组的正极材料通常包括可以用锂离子嵌入的电活性材料，例如锂过渡金属氧化物或混合氧化物，例如包括LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiMn
1.5
Ni
0.5
O4、LiNi
(1
‑
x
‑
y)
Co
x
M
y
O
2 (其中0＜x＜1，y＜1，并且M可以是Al、Mn等)，或者一种或多种磷酸盐化合物，例如包括磷酸铁锂或混合磷酸锰铁锂。负极通常包括锂插入材料或合金主体材料。例如，用于形成阳极的典型电活性材料包括石墨和其它形式的碳、硅和氧化硅、锡和锡合金。
[0007]某些阳极材料具有特别的优点。尽管理论比容量为372 mAh
·
g
‑1的石墨最广泛地用于锂离子电池组，但具有高比容量，例如约900 mAh
·
g
‑1至约4,200 mAh
·
g
‑1的高比容量的阳极材料受到越来越多的关注。例如，硅具有最高的已知锂理论容量(例如，约4,200 mAh
·
g
‑1)，使得它是用于可再充电锂离子电池组的有吸引力的材料。然而，包含硅的阳极可经受缺点。例如，在连续的充电和放电循环期间过度的体积膨胀和收缩(例如，与石墨的约10%相比，硅的约400%)。这种体积变化可导致电活性材料的疲劳开裂和爆裂，以及材料颗粒
的粉碎，其进而可引起含硅电活性材料与电池组电池的其余部分之间的电接触的损失，导致差的容量保持和过早的电池失效。在高能锂离子电池组中应用含硅电极（例如在运输应用中使用的那些）所需的电极负载水平下，这尤其是真实的。因此，期望开发可以解决这些挑战的高性能电极材料，特别地包含硅和在锂离子循环期间经历显著体积变化的其它电活性材料，以及用于制备此类高性能电极材料的方法，以用于高能量和高功率锂离子电池组。

技术实现思路

[0008]本部分提供了本公开的一般概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
[0009]本公开涉及层状阳极材料(例如，二维(“2D”)层状硅同素异形体)和其形成方法(例如，被动离子交换方法)。
[0010]在各个方面，本公开提供了一种用于形成预锂化的层状阳极材料的方法。该方法可包括使前体材料与包含一种或多种锂盐和一种或多种溶剂的电解质接触。电解质的摩尔浓度可大于或等于约0.1M至小于或等于一种或多种锂盐在一种或多种溶剂中的溶解度极限。前体材料可以是三维层状材料，并且使前体材料与电解质接触可造成阳离子从前体材料的去除以及锂离子从电解质引入到通过去除阳离子而产生的层间空间或空隙中，以形成预锂化的层状阳极材料。
[0011]在一个方面，前体材料可由MX2表示，其中M是钙(Ca)和镁(Mg)中的一种，并且X是硅(Si)、锗(Ge)和硼(B)中的一种，并且前体材料包括M和X的交替层。
[0012]在一个方面，一种或多种锂盐可选自：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、氯化锂(LiCl)、碳酸锂(LiCO3)、氢氧化锂(LiOH)及其组合。
[0013]在一个方面，一种或多种溶剂可选自：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、氟化碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合。
[0014]在一个方面，使前体材料与电解质接触可包括将前体材料浸没在电解质中。
[0015]在一个方面，方法可进一步包括在前体材料和电解质接触期间搅拌电解质。
[0016]在一个方面，可使用流化床或电解质再循环床来搅拌电解质。
[0017]在一个方面，可通过同时移除用过部分的电解质和引入新部分的电解质来搅拌电解质。
[0018]在一个方面，移除用过部分的电解质和引入新部分的电解质连续地发生。
[0019]在一个方面，移除用过部分的电解质和引入新部分的电解质定期地发生。
[0020]在一个方面，方法可进一步包括将前体材料设置在电子导电的液体可渗透的笼中，并且使前体材料与电解质接触包括将电子导电的液体可渗透的笼设置在电解质中。
[0021]在一个方面，电子导电的液体可渗透的笼可设置在逆流反应器中，并且电解质连续地流过逆流反应器。
[0022]在一个方面，新部分的电解质可引入到逆流反应器的第一开口中，并且用过部分的电解质可同时从逆流反应器的第二开口中移除。
[0023]在一个方面，移除用过部分的电解质和引入新部分的电解质连续地发生。
[0024]在一个方面，移除用过部分的电解质和引入新部分的电解质定期地发生。
[0025]在一个方面，方法可进一步包括在前体材料和电解质接触期间加热电解质。可将电解质加热到大于或等于约20℃至小于或等于约200℃的温度。
[0026]在各个方面，本公开提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于形成预锂化的层状阳极材料的方法，所述方法包括：使前体材料与包含一种或多种锂盐和一种或多种溶剂的电解质接触，其中所述电解质具有大于或等于约0.1M至小于或等于所述一种或多种锂盐在所述一种或多种溶剂中的溶解度极限的摩尔浓度，并且其中所述前体材料为三维层状材料，并且所述前体材料与所述电解质的接触导致阳离子从所述前体材料的去除，并将锂离子从所述电解质引入到通过去除阳离子而产生的层间空间或空隙中，以形成所述预锂化的层状阳极材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体材料由MX2表示，其中M为钙(Ca)和镁(Mg)中的一者，且X为硅(Si)、锗(Ge)和硼(B)中的一者，且所述前体材料包含M和X的交替层。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种锂盐选自以下：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、氯化锂(LiCl)、碳酸锂(LiCO3)、氢氧化锂(LiOH)及其组合。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述一种或多种溶剂选自：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、氟化碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合。5.根据权利要求1所述的方法，其中使所述前体材料与所述电解质接触包括将所述前体材料浸没在所述电解质中。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括：在所述前体材料与...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：