锂离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池包括正极、负极以及设置在正极和负极之间的隔膜，其中，所述正极包括锂离子正极活性材料，所述负极包括锂离子负极活性材料和添加剂，该添加剂的能量密度大于所述锂离子负极活性材料的能量密度，并且该添加剂能够与锂离子发生不可逆反应。根据本发明专利技术，所述添加剂可以不可逆地与锂离子反应，从而避免了由锂离子正极活性材料的过量不可逆容量损失产生的锂离子沉积在负极上形成锂金属。此外，由于所述添加剂的能量密度大于锂离子负极活性材料的能量密度，使整个电池容量的损失最小化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
一些有前景的正极材料具有提供比目前锂离子电池中商用的正极材料更大容量 和更高平均工作电压的潜力。这些材料包括，例如含有通式Li1+X (NiCoMn) O2 (0 < χ < 1) 所示氧化物的层状锂系列或含有例如Li(1+X) (MriNi)204 (0 <x< 1)的氧化物的尖晶石型 锂。例如，已经发现一类富锂、含锰层状化合物在相对于金属锂4. 6V循环时能够提供高达 250-290mAh/g的稳定可逆容量。这些材料可以由通式XLi2MnO3 · (l_x) LiMO2 (0 < χ < 1) 表示，被描述为具有共用氧晶格的层状/层状复合结构，如由Thackeray博士及其小组在 ANL所提出的。令人遗憾的是，包括这些高电压正极材料在内的许多正极材料在首次循环 过程中具有固有的很大不可逆容量损失，这被认为与由Li2MnO3相在转换为可逆地嵌入锂 离子的层状MnO2相的过程中的氧损耗有关。此外，在一些应用中，并不希望将电池循环到 如此高的电压。如果电池电压在首次形成循环后被限定在4. 2V，则可逆容量将较低(约 200-220mAh/g)，但是仍然是令人满意的。然而，由于该材料首次充电必须要使全部的锂脱 除以显示活性，因此正极的不可逆容量损失可以达到30%。在整个电池设计中，这种固有的 不可逆容量损失必须由负极补偿，以避免锂金属沉积，锂金属沉积是安全危害并且极大地 降低电池的循环寿命，但是这种方法会不可避免地降低整个电池的容量。
技术实现思路
为了解决现有技术的至少部分上述问题，本专利技术提供了一种锂离子电池，该锂离 子电池包括正极、负极以及设置在正极和负极之间的隔膜，其中，所述正极包括锂离子正极 活性材料，所述负极包括锂离子负极活性材料和添加剂，该添加剂的能量密度大于所述锂 离子负极活性材料的能量密度，并且该添加剂能够与锂离子发生不可逆反应。本专利技术还提供了一种制备锂离子电池的方法，该方法包括提供和组装正极、负极 和隔膜的步骤，其中，所述正极包括锂离子正极活性材料，所述负极包括锂离子负极活性材 料和添加剂，该添加剂的能量密度大于所述锂离子负极活性材料的能量密度，并且该添加 剂能够与锂离子发生不可逆反应。根据本专利技术，所述添加剂可以不可逆地与锂离子反应，从而避免了由锂离子正极 活性材料的过量不可逆容量损失产生的锂离子沉积在负极上形成锂金属。此外，由于所述 添加剂的能量密度大于锂离子负极活性材料的能量密度，使整个电池容量的损失最小化。附图说明图1 表示本专利技术制得的电池的首次充电和后续循环的电压曲线。 具体实施例方式本专利技术提供了一种新型的锂离子电池，该锂离子电池包括正极、负极以及设置在 正极和负极之间的隔膜，其中，所述负极包括锂离子负极活性材料和添加剂，该添加剂的体 积或重量能量密度大于所述锂离子负极活性材料的能量密度，并且该添加剂能够与锂离子 发生不可逆反应。在本专利技术的一种优选实施方式中，可以选择所述锂离子正极活性材料的量、所述 锂离子负极活性材料的量和所述添加剂的量使所述电池在首次循环中锂离子正极电极的 可逆容量基本上等于锂离子负极电极的可逆容量，锂离子正极活性材料的不可逆容量损失 大于锂离子负极活性材料的不可逆容量损失，并且所述添加剂能够容纳该锂离子正极活性 材料的基本上全部过量的不可逆容量损失。所述添加剂可以具有比负极活性材料更大的重 量容量(mAh/g)或体积容量(mAh/mL)，就是说，与负极活性材料相比，每体积或重量的所述 添加剂能够嵌入更多锂。电池的首次循环是指首次充电和首次放电的过程。锂离子正极活 性材料的不可逆容量损失是指锂离子正极活性材料在首次充电过程中的充电容量与锂离 子正极活性材料在首次放电过程中的放电容量之间的差。锂离子负极活性材料的不可逆容 量损失是指锂离子负极活性材料在首次充电过程中的充电容量与锂离子负极活性材料在 首次放电过程中的放电容量之间的差。术语“所述添加剂能够容纳该锂离子正极活性材料 的基本上全部过量的不可逆容量损失”是指与锂离子正极活性材料的过量不可逆容量损失 相关的、由正极产生的全部锂离子都与添加剂反应。术语“过量不可逆容量损失”是指正极 活性材料的不可逆容量损失超过负极活性材料的不可逆容量损失的量。根据本专利技术，所述添加剂可以不可逆地与锂离子反应，从而避免了由锂离子正极 活性材料的过量不可逆容量损失产生的锂离子沉积在负极上形成锂金属。此外，由于所述 添加剂的能量密度大于锂离子负极活性材料的能量密度，使整个电池容量的损失最小化。在本专利技术的一个方面，选择锂离子活性负极材料与所述添加剂的比例，使负极在 电池中的可逆容量比正极在电池中的可逆容量大至多12%。在本专利技术的一个方面，选择所述添加剂，与来自正极的锂反应，以不可逆地形成锂 离子导电材料。在本专利技术的另一个方面，选择所述添加剂，与来自正极的锂反应，以不可逆 地形成散布有电子传导相的锂离子导电材料。在本专利技术的另一个方面，选择所述添加剂，与 来自正极的锂反应，以不可逆地形成导电复合材料。在本专利技术的另一个方面，选择所述添加 齐U，与来自正极的锂反应，以不可逆地形成可溶于电解液的材料。在本专利技术的一种实施方式 中，所述添加剂可以作为单独的相加入到锂离子电池的负极中，与负极活性材料物理地混 合。在本专利技术的另一种实施方式中，所述添加剂可以作为负极活性材料上的涂层加入到锂 离子电池的负极中，在本专利技术的另一种实施方式中，所述添加剂可以作为负极活性材料的 复合相加入到锂离子电池的负极中。 在本专利技术的一种实施方式中，所述锂离子电池包括作为可逆锂离子活性材料的层 状锂过渡金属氧化物正极和石墨负极。在本专利技术的另一种实施方式中，所述锂离子电池包 括作为可逆锂离子活性材料的层状锂过渡金属氧化物正极和钛酸锂尖晶石相负极。在本专利技术的一种实施方式中，在高于活性锂离子负极相电压的电压下，所述添加剂在与锂的反应 中被还原。在本专利技术的一种实施方式中，所述添加剂的振实密度大于负极活性材料的振实 密度的1.3倍。在本专利技术的一种实施方式中，所述添加剂为导电的。根据本专利技术的优选实施方式，所述添加剂选自由硒、磷、聚合物CFx(0.9 < χ < 1. 2)和碘所组成的组中，更优选选自由灰硒(grey selenium)、黑磷(black phosphorus)和碘/P2VP复合物所组成的组中。根据该优选实施方式，所述添加剂与来自正 极的锂反应，不可逆地形成锂离子传导材料如Li2Se、Li3P> LiF、LiI等，即添加剂与锂的反 应产物能够传导锂离子的材料。根据本专利技术的优选实施方式，所述添加剂为含有硒、磷和碘中的至少一种元素的 金属间化合物，该金属间化合物中含有的金属不与锂形成合金。所述金属可以为Cu、Ni和 Co中的至少一种。根据该优选实施方式，所述添加剂与来自正极的锂反应，金属间化合物中 的硒、磷和碘与锂反应生成Li2Se、Li3P> LiI等，并且金属间化合物中的金属元素形成为金 属单质，从而不可逆地形成散布有电子传导相(所述金属单质)的锂离子导电材料，有利于 提高负极的电导率。根据本专利技术的优选实施方式，所述添加剂为金属氧化物，该金属氧化物中含有的 金属不与锂形成合金。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池，该锂离子电池包括正极、负极以及设置在正极和负极之间的隔膜，其中，所述正极包括锂离子正极活性材料，所述负极包括锂离子负极活性材料和添加剂，该添加剂的能量密度大于所述锂离子负极活性材料的能量密度，并且该添加剂能够与锂离子发生不可逆反应。

【技术特征摘要】
US 2009-10-13 61/278,9431.一种锂离子电池，该锂离子电池包括正极、负极以及设置在正极和负极之间的隔膜， 其中，所述正极包括锂离子正极活性材料，所述负极包括锂离子负极活性材料和添加剂，该 添加剂的能量密度大于所述锂离子负极活性材料的能量密度，并且该添加剂能够与锂离子 发生不可逆反应。2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，所述锂离子正极活性材料的量、所述锂离 子负极活性材料的量和所述添加剂的量使得所述电池在首次循环中锂离子正极电极的可 逆容量基本上等于锂离子负极电极的可逆容量，锂离子正极活性材料的不可逆容量损失大 于锂离子负极活性材料的不可逆容量损失，并且所述添加剂能够容纳该锂离子正极活性材 料的全部过量的不可逆容量损失。3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其中，所述添加剂选自由硒、磷、聚合物CFx 和碘所组成的组中。4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其中，所述添加剂选自由灰硒、黑磷和碘/P2VP 复合物所组成的组中。5.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其中，所述添加剂为含有硒、磷和碘中的至 少一种元素的金属间化合物，该金属间化合物中含有的金属不与锂形成合金。6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其中，所述添加剂为金属氧化物，该金属氧 化物中含有的金属不与锂形成合金。7.根据权利要求5或6所述的锂离子电池，其中，所述金属为Cu、Ni和Co中的至少一种。8.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，所述锂离子正极活性材料为如通式 Li1+X(NiCoMn) O2 (O彡χ彡1)所示的氧化物的层状锂、含有如Li(1+x) (MnNi)2O4(O彡χ彡1) 所示的氧化物的尖晶石型锂、以及如通式XLi2MnO3 · (1-χ) LiMO2 (O < χ < 1)表示的材料中 的至少一种，...

【专利技术属性】
技术研发人员：KD开普勒，刘宏建，
申请(专利权)人：法拉赛斯能源公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]