具有枝晶防止机制的电化学电池及其制造方法技术

本文中描述的实施例总体上涉及具有枝晶防止机制的电化学电池。在一些实施例中，电化学电池可包括：阳极，设置在阳极集流体上；阴极，设置在阴极集流体上；以及隔膜，设置在阳极和阴极之间。在一些实施例中，阳极或阴极中的至少一者包括第一部分和第二部分，第二部分被配置成防止围绕阳极和/或阴极的外边缘形成枝晶。在一些实施例中，第二部分可包括围绕阳极集流体的外边缘设置在阳极集流体上的电活性材料。在一些实施例中，第二部分可包括围绕阳极集流体的外边缘设置在袋状材料上的电活性材料。材料。材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有枝晶防止机制的电化学电池及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2020年11月2日提交的美国临时申请第63/108,560号的权益，所述美国临时申请的内容通过引用整体并入本文。


[0003]本文中描述的实施例总体上涉及具有枝晶防止机制的电化学电池。

技术介绍

[0004]消费者希望蓄电池可快速充电并且可存储足够的能量，以根据期望施行任何预期的应用。为了达到期望的理论能量密度，蓄电池制造商已经增大电极的厚度，以增大电极的总离子/电子存储容量。然而，这些较厚的电极经常导致一部分活性材料很大程度上无法用于离子/电子存储，因为作为电极厚度的函数，这些电极的部分上的电导率降低。蓄电池制造商也已经在电极(例如阳极)中使用高容量材料来增大理论能量密度，然而这些材料在电极的使用期间经常体积膨胀和收缩，这可损坏蓄电池。因此，减少电极和成品蓄电池中的非活性组分并且提高能量密度和整体性能是能量存储系统发展的持久目标。
[0005]另外，枝晶的形成和生长以及镀覆是锂离子电化学电池中遇到的问题。当锂离子开始在电极的表面(即成核位点)上聚集或成核时，枝晶开始形成。当附加的锂离子迁移到成核位点并且结合到成核位点时，枝晶生长。电化学电池的快速充电和放电可加剧枝晶形成和镀覆，因为更快的充电和放电会导致更高密度的离子运动。枝晶生长和镀覆对电化学电池的循环能力有害，因为它们可导致活性材料不可逆的损失。枝晶还可阻挡离子的流动或在电化学电池中引起部分短路情况或完全短路情况。

技术实现思路
r/>[0006]本文中描述的实施例总体上涉及具有枝晶防止机制的电化学电池。在一些实施例中，电化学电池可包括：阳极，设置在阳极集流体上；阴极，设置在阴极集流体上；以及隔膜，设置在阳极和阴极之间。在一些实施例中，阳极或阴极中的至少一者包括第一部分和第二部分，第二部分被配置成防止围绕阳极和/或阴极的外边缘形成枝晶。在一些实施例中，第二部分可包括围绕阳极集流体的外边缘设置在阳极集流体上的电活性材料。在一些实施例中，第二部分可包括围绕阳极集流体的外边缘设置在袋状材料上的电活性材料。在一些实施例中，第二部分可包括围绕阴极的外边缘设置在阴极集流体上的不可润湿涂层
[0007]在一些方面，本文中描述的电化学电池可包括：阳极，设置在阳极集流体上；阴极，设置在阴极集流体上；以及隔膜，设置在阳极和阴极之间。隔膜具有邻近阳极的第一侧和邻近阴极的第二侧，其中阳极或阴极中的至少一者包括第一部分和第二部分，第二部分被配置成防止围绕阳极和/或阴极的外边缘形成枝晶。在一些实施例中，第二部分包括围绕阳极集流体的外边缘设置在阳极集流体上的电活性材料。在一些实施例中，电活性材料包括LiTO2、TiO2或其任意组合。在一些实施例中，第二部分包括围绕阳极集流体的外边缘设置在
袋状材料上的电活性材料。在一些实施例中，电活性材料包括LiTO2、TiO2或其任意组合。在一些实施例中，第二部分包括围绕阴极的外边缘设置在阴极集流体上的不可润湿涂层。
[0008]因此，在一些方面，电化学电池可包括：
[0009]阳极，设置在阳极集流体上；
[0010]阴极，设置在阴极集流体上；以及
[0011]隔膜，设置在阳极和阴极之间，隔膜具有邻近阳极的第一侧和邻近阴极的第二侧，
[0012]其中阳极或阴极中的至少一者包括第一部分和第二部分，第二部分被配置成防止围绕阳极和/或阴极的外边缘形成枝晶。
[0013]在一些实施例中，第一部分是第一电活性材料并且第二部分是第二电活性材料。
[0014]在一些实施例中，第一部分是第一电活性材料并且第二部分是第二电活性材料，阳极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕阳极集流体的外边缘设置在阳极集流体上。
[0015]在一些实施例中，阳极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕阳极集流体的外边缘设置在袋状材料上。
[0016]在一些实施例中，阳极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕第一部分的外边缘的至少一部分设置在阳极集流体上。
[0017]在一些实施例中，阳极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕阳极集流体的外边缘并且围绕第一部分的外边缘的至少一部分设置在阳极集流体上。可选地，在又一实施例中，在使用期间，阴极的一部分迁移到环绕阴极集流体的区，以形成阴极的经迁移部分。可选地，在又一实施例中，在使用期间，阳极的第二部分可捕获从阴极的经迁移部分跨越隔膜传送的电子和/或离子。在一些实施例中，围绕阴极集流体的外边缘设置有不可润湿涂层。在一些实施例中，在阴极集流体上围绕阴极的外边缘设置有不可润湿涂层。在一些实施例中，当不可润湿涂层存在时，在使用期间，不可润湿涂层排斥阴极的碎片，以在环绕不可润湿涂层的外部区中形成阴极的经迁移部分，或者，在使用期间，不可润湿涂层经由毛细作用促进阴极的碎片的移动，以形成阴极的经迁移部分。
[0018]在一些实施例中，第一部分是第一电活性材料并且第二部分是第二电活性材料，阴极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕阴极集流体的外边缘设置在阴极集流体上；
[0019]或者其中阴极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕阴极集流体的外边缘设置在袋状材料上；
[0020]或者其中阴极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕第一部分的外边缘的至少一部分设置在阴极集流体上；
[0021]或者其中阴极包括第一部分和第二部分，其中第二部分围绕阴极集流体的外边缘并且围绕第一部分的外边缘的至少一部分设置在阴极集流体上。在一些实施例中，在使用期间，阳极的一部分迁移到环绕阳极集流体的区，以形成阳极的经迁移部分。在一些实施例中，围绕阳极集流体的外边缘设置有不可润湿涂层或者其中在阳极集流体上围绕阳极的外边缘设置有不可润湿涂层。在一些实施例中，当不可润湿涂层存在时，在使用期间，不可润湿涂层排斥阳极的碎片，以在环绕不可润湿涂层的外部区中形成阳极的经迁移部分，或者，在使用期间，不可润湿涂层经由毛细作用促进阳极的碎片的移动，以形成阳极的经迁移部
分。
[0022]在一些实施例中，第一部分是第一电活性材料并且第二部分是第二电活性材料，第二电活性材料包括高容量材料。在又一实施例中，第二电活性材料包括硅、铋、硼、镓、铟、锌、锡、锑、铝、氧化钛、钼、锗、锰、铌、钒、钽、铁、铜、金、铂、铬、镍、钴、锆、钇、氧化钼、氧化锗、氧化硅、碳化硅或其任意组合。在一些实施例中，第二电活性材料包括硅。在又一实施例中，第二电活性材料包括LiTO2、TiO2或其任意组合。
[0023]在一些实施例中，第二部分的厚度与集流体的厚度相同。在一些实施例中，第一部分是第一电活性材料并且第二部分是第二电活性材料，第一电活性材料由与第二电活性材料相同的材料构成，作为另外一种选择，第一电活性材料由与第二电活性材料不同的材料构成。在一些实施例中，第二电活性材料是相比于第一电活性材料更高或更低电压的材料。在一些实施例中，第二电活性材料是相比于第一电活性材料更高电压的材料。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学电池，包括：阳极，设置在阳极集流体上；阴极，设置在阴极集流体上；以及隔膜，设置在所述阳极和所述阴极之间，所述隔膜具有邻近所述阳极的第一侧和邻近所述阴极的第二侧，其中所述阳极或所述阴极中的至少一者包括第一部分和第二部分，所述第二部分被配置成防止围绕所述阳极和/或所述阴极的外边缘形成枝晶。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述第一部分是第一电活性材料并且所述第二部分是第二电活性材料。3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述阳极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述阳极集流体的外边缘设置在所述阳极集流体上；或者其中所述阳极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述阳极集流体的外边缘设置在袋状材料上；或者其中所述阳极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述第一部分的外边缘的至少一部分设置在所述阳极集流体上；或者其中所述阳极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述阳极集流体的外边缘并且围绕所述第一部分的外边缘的至少一部分设置在所述阳极集流体上。4.根据权利要求3所述的电化学电池，其中在使用期间，所述阴极的一部分迁移到环绕所述阴极集流体的区，以形成所述阴极的经迁移部分。5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中在使用期间，所述阳极的所述第二部分能够捕获从所述阴极的所述经迁移部分跨越所述隔膜传送的电子和/或离子。6.根据权利要求3至5中任一项所述的电化学电池，其中围绕所述阴极集流体的外边缘设置有不可润湿涂层。7.根据权利要求3至5中任一项所述的电化学电池，其中在所述阴极集流体上围绕所述阴极的外边缘设置有不可润湿涂层。8.根据权利要求6至7中任一项所述的电化学电池，其中在使用期间，所述不可润湿涂层排斥所述阴极的碎片，以在环绕所述不可润湿涂层的外部区中形成所述阴极的所述经迁移部分。9.根据权利要求6至7中任一项所述的电化学电池，其中在使用期间，所述不可润湿涂层经由毛细作用促进所述阴极的碎片的移动，以形成所述阴极的所述经迁移部分。10.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述阴极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述阴极集流体的外边缘设置在所述阴极集流体上；或者其中所述阴极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述阴极集流体的外边缘设置在袋状材料上；或者其中所述阴极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述第一部分的外边缘的至少一部分设置在所述阴极集流体上；或者其中所述阴极包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分围绕所述阴极集流体的外边缘并且围绕所述第一部分的外边缘的至少一部分设置在所述阴极集流体上。11.根据权利要求10所述的电化学电池，其中在使用期间，所述阳极的一部分迁移到环
绕所述阳极集流体的区，以形成所述阳极的经迁移部分。12.根据权利要求10或11所述的电化学电池，其中围绕所述阳极集流体的外边缘设置有不可润湿涂层。13.根据权利要求10或11所述的电化学电池，其中在所述阳极集流体上围绕所述阳极的外边缘设置有不可润湿涂层。14.根据权利要求12至13中任一项所述的电化学电池，其中在使用期间，所述不可润湿涂层排斥所述阳极的碎片，以在环绕所述不可润湿涂层的外部区中形成所述阳极的所述经迁移部分。15.根据权利要求12至14中任一项所述的电化学电池，其中在使用期间，所述不可润湿涂层经由毛细作用促进所述阳极的碎片的移动，以形成所述阳极的所述经迁移部分。16.根据权利要求2至15中任一项所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料包括高容量材料。17.根据权利要求2至16中任一项所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料包括硅、铋、硼、镓、铟、锌、锡、锑、铝、氧化钛、钼、锗、锰、铌、钒、钽、铁、铜、金、铂、铬、镍、钴、锆、钇、氧化钼、氧化锗、氧化硅、碳化硅或其任意组合。18.根据权利要求17所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料包括硅。19.根据权利要求2至16中任一项所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料包括LiTO2、TiO2或其任意组合。20.根据任意前述权利要求所述的电化学电池，其中所述第二部分的厚度与所述集流体的厚度相同。21.根据权利要求2至20中任一项所述的电化学电池，其中所述第一电活性材料由与所述第二电活性材料相同的材料构成。22.根据权利要求2至20中任一项所述的电化学电池，其中所述第一电活性材料由与所述第二电活性材料不同的材料构成。23.根据权利要求22所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料是相比于所述第一电活性材料更高或更低电压的材料。24.根据权利要求23所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料是相比于所述第一电活性材料更高电压的材料。25.根据权利要求23或24所述的电化学电池，其中在使用期间，电子和/或离子从所述第二部分传送到所述第一部分，或者从所述第一部分传送到所述第二部分。26.根据权利要求25所述的电化学电池，其中在使用期间，电子和/或离子从所述第二部分传送到所述第一部分。27.根据权利要求6至9或12至26中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层充当电子屏障。28.根据权利要求6至9或12至26中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层抵抗电解质的润湿。29.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述第二部分是不可润湿涂层。30.根据权利要求29所述的电化学电池，其中所述阳极包括第一部分和第二部分，其中所述阳极的所述第二部分围绕所述阳极集流体的外边缘设置。
31.根据权利要求29或30所述的电化学电池，其中所述阴极包括第一部分和第二部分，其中所述阴极的所述第二部分围绕所述阴极集流体的外边缘设置。32.根据权利要求30或31所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层设置在袋状材料上。33.根据权利要求31所述的电化学电池，其中所述阳极包括第一部分和第二部分，其中所述阳极的所述第二部分围绕所述阳极的所述第一部分的外边缘设置在所述阳极集流体上，并且/或者所述阴极包括第一部分和第二部分，其中所述阴极的所述第二部分围绕所述阴极的所述第一部分的外边缘设置在所述阴极集流体上。34.根据权利要求33所述的电化学电池，其中包括所述不可润湿涂层的所述第二部分围绕所述阳极的所述第一部分的外边缘设置在所述阳极集流体上。35.根据权利要求33所述的电化学电池，其中包括所述不可润湿涂层的所述第二部分围绕所述阴极的所述第一部分的外边缘设置在所述阴极集流体上。36.根据权利要求29至35中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层充当电子屏障。37.根据权利要求29至36中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层抵抗电解质的润湿。38.根据权利要求29至37中任一项所述的电化学电池，其中所述第二部分是所述阳极的第二部分，并且在使用期间，所述不可润湿涂层：排斥所述阳极的所述第一部分的碎片，以在环绕所述不可润湿涂层的外部区中形成所述阳极的经迁移部分，或者经由毛细作用促进所述阳极的所述第一部分的碎片的移动，以形成所述阳极的经迁移部分。39.根据权利要求29至37中任一项所述的电化学电池，其中所述第二部分是所述阴极的第二部分，并且在使用期间，所述不可润湿涂层：排斥所述阴极的所述第一部分的碎片，以在环绕所述不可润湿涂层的外部区中形成所述阴极的经迁移部分，或者经由毛细作用促进所述阴极的所述第一部分的碎片的移动，以形成所述阴极的经迁移部分。40.根据权利要求6至9或12至39中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层的厚度与其上面或其周围所设置的所述阳极集流体和/或所述阴极集流体的厚度相同。41.根据权利要求6至9或12至40中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层包含聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、硅酮、氧化铝、二氧化硅、全氟
‑
烷基
‑
聚丙烯酸酯树脂和聚合物、聚倍半硅氧烷、具有聚二辛基芴(PFO)的聚(乙烯醇)基共聚物、与二氧化硅/氧化铝组合作为耐油涂层的聚(乙烯醇)基共聚物、或其任意组合。42.一种电化学电池，包括：阳极，设置在阳极集流体上；阴极，设置在阴极集流体上；以及隔膜，设置在所述阳极和所述阴极之间，所述隔膜具有邻近所述阳极的第一侧和邻近所述阴极的第二侧，
其中在所述阳极集流体上围绕所述阳极的外边缘设置有不可润湿涂层，和/或在所述阴极集流体上围绕所述阴极的外边缘设置有不可润湿涂层。43.根据权利要求42所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层围绕所述阳极的外边缘设置在所述阳极集流体上。44.根据权利要求42所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层围绕所述阴极的外边缘设置在所述阴极集流体上。45.一种电化学电池，包括：阳极，设置在阳极集流体上；阴极，设置在阴极集流体上；以及隔膜，设置在所述阳极和所述阴极之间，所述隔膜具有邻近所述阳极的第一侧和邻近所述阴极的第二侧，其中围绕所述阳极集流体的外边缘设置有不可润湿涂层并且/或者围绕所述阴极集流体的外边缘设置有不可润湿涂层。46.根据权利要求45所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层围绕所述阳极集流体的外边缘设置。47.根据权利要求45所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层围绕所述阴极集流体的外边缘设置。48.根据权利要求45至47所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层设置在袋状材料上。49.根据权利要求3至48中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层充当电子屏障。50.根据权利要求42至49中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层抵抗电解质的润湿。51.根据权利要求42至50中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层设置在所述阳极集流体上或围绕所述阳极集流体的所述外边缘设置，并且在使用期间，所述不可润湿涂层；排斥所述阳极的碎片，以在环绕所述不可润湿涂层的外部区中形成所述阳极的经迁移部分，或者经由毛细作用促进阳极的碎片的移动，以形成所述阳极的经迁移部分。52.根据权利要求42至50中任一项所述的电化学电池，其中所述不可润湿涂层设置在所述阴极集...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈君政，太田直树，刘小明，
申请(专利权)人：二四M技术公司，
类型：发明
国别省市：