一种高容量、高充电倍率的锂二次电池包括与正极集电器电接触的高容量含锂正极，所述集电器电连接于外部电路；与负极集电器电接触的高容量负极，所述集电器电连接于外部电路；置于阴极和阳极之间并与二者离子接触的隔膜；和与正极和负极离子接触的电解质，其中所述电池的总面积比阻抗和正极与负极的相对面积比阻抗使负极电位在大于或等于4C的充电过程中高于金属锂的电位。正极和负极单位面积的电流容量各为至少3mA-h/cm2，所述电池的总面积比阻抗约小于20Ω-cm2，而且，正极具有面积比阻抗r1，负极具有面积比阻抗r2，其中r1与r2的比率至少为约10。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非水电解质二次电池。具体地，本专利技术涉及具有高充放电倍率能力以及在如此高倍率循环过程中低容量衰减速率的电池。相关技术描述目前，便携式电子设备几乎完全依赖于可充电锂离子电池用作电源。这促使人们不断努力以提高电池的能量存储能力、功率能力、循环寿命和安全性能，以及降低其成本。锂-离子电池或锂离子电池指具有阳极的可充电电池，该阳极可以在高于锂金属的锂化学电位上存储大量锂。从历史上看，使用金属锂或锂合金作为负极的非水二次(可充电)电池是第一种 能够产生高电压和具有高能量密度的充电电池。然而很明显，在早期电池的容量在循环中迅速降低，所谓海绵状锂和枝晶的生长损害了电池的可靠性和安全性，阻碍这种电池进入消费市场。重要的是，有人建议少数几种有时获得积极销路的锂金属充电电池在不高于约C/10 (10小时)的倍率情况下充电，以减少枝晶生长。为了减轻锂和电解质组分之间的这种缓慢而又不可避免的反应，这些早期的电池与正极活性材料容量相比，通常包含4-5倍额外的金属锂。这样，循环过程中的可观测的容量衰减由正极活性材料的比容量的降低引起。已有一项关于锂金属电池的最近研究(D. Aurbach et al. , Journal of Electrochemical Society,147(4) 1274-9(2000))。为了克服这种与使用锂金属负极有关的困难，引入了几个对电池材料的主要改进。各种能够高效、可逆地在低电位下插入锂的碳用作负极以消除枝晶生长。参阅美国专利4，423，125和4，615，959。发展了在相对于锂为低电位和高电位上都稳定的高导电性液体电解质。参阅美国专利4，957，833。发展以锂化过渡金属氧化物为基础的高电压、高容量正极材料，例如LiCoO2, LiMn2O4和LiNiO2，参阅美国专利4，302，518。由于用于锂离子电池的锂金属的电化学电位只比完全锂化的石墨化碳电极LiC6的电位低约0. IV，二者都强烈地还原为与它们有接触的任何材料，例如聚合物粘结剂和液体电解质锂盐溶液。特别地，液体电解质组分与金属锂和锂化碳反应，以在负极材料表面形成亚稳态保护层，即所谓固体电解质界面(SEI) (E. Peled, “LithiumStability and Film Formation in Organic and Inorganic Electrolyte forLithium Battery Systems，，，in “Lithium Batteries，，，J.-P. Gabano, EcL，AcademicPress, London, 1983;p. 43)。然而，SEI的形成过程及其在电池循环和储存中的部分更新不可逆地从电池中消耗部分活性锂，从而造成容量损失。如果对比第一次充电过程中使用的电量和其后的电池放电量，即所谓化成周期，就很容易观察到这种损失。在新的锂离子电池的第一次充电循环中，正极活性材料氧化，Li+离子在液体电解质中向碳负极扩散，在负极它们还原为Li°，并插入碳结构的石墨(graphene)层之间。最多达到约50%的第一次还原的锂部分,但更常见5-15%的可插入的锂，反应以形成上述SEI。很明显，在正极材料中的可获得的锂的量只能小于用于形成SEI所需的锂以及碳材料的可得锂插入容量的总和。如果从正极材料中移除的锂量大于该总和，那多出的锂就会沉积，或者镀覆为碳粒子外表面上的金属锂。所述锂镀覆是一种非常活性的高表面积沉积物的形式，也就是所谓“海绵状锂”，它不仅由于其高电阻抗使电池性能退化，而且严重损害其安全性。 即使碳材料的锂插入容量足够大到能容纳所有来自正极材料的锂，如果充电太快也有可能发生锂的镀覆。由于极有可能在高倍率充电过程中在碳阳极上镀覆锂，锂离子生产商推荐，这种电池在充电中采用等效电流不高于标称电池容量的I倍(1C)，直到达到充电电压的上限最大值为止，随后是恒流段° (http: //www. Panasonic, com/industrial/battery/oem/images/pdf/Panasonic_LiIon_Charging. pdf)。实际上，充电步骤延续 I. 5 到 2. 5 小时，这个时间对某些应用例如以电池为电源的工具和某些电子设备、电动车辆来说太长。本专利技术的目的就是提供能够高充放电倍率、低成本生产、扩展高电应力使用时安全、具有高能量和功率能力、多次高倍率充放电循环后表现出低的容量和放电功率损失的锂离子电池。
技术实现思路
一方面，本专利技术提供一种能用于高倍率应用中的二次电池和二次电池制备及循环方法。正极锂存储电极和负极都能够在高倍率下可逆地插入锂。所述电池在充电中不会镀覆锂，这使在很多充电循环后的容量衰减降低。因此，所述高性能锂离子电池能够在极其高倍率的充电和放电中进行反复、安全、稳定的充电和放电。例如，这种电池可在10C倍率进行充电，20C倍率进行放电，在大于1000循环条件下其容量损失仅为每循环0. 008%。此外，这种二次电池可以仅在6分钟内达到充电95%的状态。本专利技术一个方面提供一种高容量、高充电倍率锂二次电池，包括与正极集电器电子接触的高容量含锂正极，所述集电器与外部电路电连接；与负极集电子器电接触的高容量负极，所述集电器与外部电路电连接；置于阴极和阳极之间并与二者离子接触的隔膜；以及与正极和负极离子接触的电解质；其中所述电池的总面积比阻抗和正极与负极的相对面积比阻抗使在大于或等于4C的充电过程中负极电位高于金属锂的电位。本专利技术的另一个方面提供一种高容量、高充电倍率锂二次电池，包括与正极集电器电子接触的含锂正极，所述集电器与外部电路电连接；与负极集电器电子接触的负极，所述集电器与外部电路电连接；置于阴极和阳极之间并与二者离子接触的隔膜；以及与正极和负极离子接触的电解质；其中正极和负极单位面积的充电容量各为至少0. 75mA-h/cm2,而且其中所述电池的总面积比阻抗小于约20 Q -cm2。本专利技术的另一方面提供一种低衰减锂二次电池，所述电池具有含锂正极，所述含锂正极与正极集电器电子接触，所述集电器与外部电路电连接；与负极集电器电子接触的负极，所述集电器与外部电路电连接；置于阴极和阳极之间并与二者离子接触的隔膜；以及与正极和负极离子接触的电解质；其中所述电池的总面积比阻抗和正极与负极的相对面积比阻抗使所述电池能够在约25分钟之内获得至少约80%的充电状态，而且其中所述电池能够在多次充放电循环中容量损失少于每循环约0. 2%。本专利技术的一个方面也包括一种二次锂电池，该电池包括一种正极，该正极包括微粒导电性添加剂和具有橄榄石结构的锂过渡金属磷酸盐，该正极比表面积大于10m2/g且总孔体积为约40体积％-约60体积％，该正极在正极集电器上形成厚度为约50-125 y m的层；负极，该负极包括微粒导电性添加剂和石墨化碳，该石墨化碳平均粒径小于约25 u m，该负极具有的总孔体积为约25体积％-40体积％，并在负极集电器上形成厚度约为20-75 y m的层；置于阴极和阳极之间并与二者离子接触的微孔电绝缘高倍率隔膜；以及与阳极和阴极 离子接触的电解质；其中，所述电池的总面积比阻抗和正极与负极的相对面积比阻抗使在大于或等于4C的充电过程中负极电位本文档来自技高网...
【技术保护点】
高容量、高充电倍率锂二次电池，包括：与正极集电器电子接触的高容量含锂正极，所述集电器电连接于外部电路；与负极集电器电子接触的高容量负极，所述集电器电连接于外部电路；置于阴极和阳极之间并与二者离子接触的隔膜；和与正极和负极离子接触的电解质，其中，所述电池具有总面积比阻抗，正极与负极各自具有面积比阻抗，且正极的面积比阻抗是负极的面积比阻抗的至少约3倍;其中负极电位在大于或等于4C的充电过程中高于金属锂的电位。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·S·戈伊奇，A·C·楚，YM·江，G·N·赖利，
申请(专利权)人：A一二三系统公司，
类型：发明
国别省市：
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