可变容量电池组件制造技术

提供一种电化学电池和制造这种电化学电池的方法，所述电化学电池包含纳米结构负活性材料和复合正活性材料。正活性材料可以具有非活性成分和活性成分。非活性成分可以被激活并释放额外的锂离子，这可以补偿电化学电池中的一些不可逆容量损失。在某些实施例中，激活释放基于所激活材料的重量具有至少约400mAh/g库伦含量的锂离子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可变容量电池组件相关申请的交叉引用本申请主张2010 年 I 月 11 日提交的题为 “VARIABLE CAPACITY CELL ASSEMBLY”的美国临时专利申请No. 61/294，002的权益，其整体通过引用合并于此以用于所有目的。
技术介绍
对大容量可再充电电化学电池的需求是强烈 的。很多应用需要按重量和/或体积高容量的电池，例如航空航天、医疗器械、便携式电子设备和汽车。就此而言，锂离子技术表现出显著的改善。然而，到目前为止，该技术一般限于锂化期间理论容量仅约372mAh/g的石墨负电极和实际容量约140mAh/g (或其理论容量273mAh/g的约50%)的锂-钴-氧化物 正电极。此外，对于包括汽车应用的很多应用而言，锂-钴-氧化物是昂贵的。 硅、锗、锡和很多其他大容量材料是用于锂离子电池的有吸引力的活性材料。然而，采用这些材料部分地受到初始循环期间表现出的高不可逆容量的限制。已经采取了某些方法来限制这种容量损失。例如，将硅布置成纳米线表现出粉化现象的显著减弱。然而，在很多情况下，向电池中引入大容量负活性材料仅提供电池总体容量的部分改善，尤其是其按重量的容量。部分挑战来自于如下事实在将大容量负电极与仍然提供较低重量容量的常规正电极材料配对时，源自大容量负电极的益处被稀释。常规电池设计提倡匹配正负电极的相对容量，导致这样的状况由于电池质量更多地用于容量较低的电极，所以大容量电极(无论正负)给整个电池带来的益处变得更不明显。总体上，需要电池电极中大容量活性材料的改善的应用，其最小化了上述缺点。
技术实现思路
本专利技术提供一种锂离子电池中用于正负电极的大容量材料的新颖组合。利用包括复合活性材料的正电极组装电池，复合活性材料具有活性成分和非活性成分。非活性成分可以稍后激活化以提供正电极上的额外锂嵌入位。激活过程还导致可用于循环的额外锂离子的释放。负电极包括配置成容纳激活期间释放的额外锂离子的大容量活性材料。在某些实施例中，激活期间释放的锂离子量超过了也由激活造成的正电极容量的增加(即，非活性成分转换成活性形式)。这些过多的锂离子由大容量负活性材料容纳。在某些实施例中，激活期间产生的过多锂离子补偿了负电极中的至少一些锂损失(例如，SEI层的形成、负活性材料对锂的不可逆俘获等)。提供一种电化学电池，包括含纳米结构大容量活性材料的负电极和含复合活性材料的正电极，复合活性材料具有非活性成分和活性成分。在被激活时，非活性成分可以转变成活性成分。所述激活可涉及基于已转换的非活性成分的重量具有至少约100mAh/g库伦含量(columbic content)的锂离子释放。在更特定的实施例中,所述激活涉及基于非活性成分的重量具有至少约300mAh/g库伦含量的锂离子释放。在激活之前所述正电极中的非活性成分的量可以足以大致匹配所述负电极的不可逆锂插入容量。在某些实施例中，在激活之前所述活性成分与所述非活性成分的化学计量比介于约1/10和10之间。活性成分可以是LiMO2的形式，M表示平均氧化态为三的一种或多种离子。这些离子的示例包括钒(V)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)。非活性成分可以是Li2M’O3的形式，M’表示平均氧化态为四的一种或多种离子。这些离子的示例包括锰(Mn)、钛(Ti)、锆(Zr)、钌(Ru)、铼(Re)和钼(Pt)在某些实施例中，纳米结构的活性材料包括硅，或者更特别地，植根于导电衬底中的含硅纳米线。纳米结构的活性材料可以包括核心和壳，使得核心的材料不同于壳的材料。在某些实施例中，纳米结构的活性材料包括在充分放电状态下平均高宽比(aspect ratio)至少约为100的结构。在相同或其他实施例中，纳米结构的活性材料包括在充分放电状态下平均横截面尺度介于约I纳米和300纳米之间的结构。纳米结构的活性材料可以包括在充分放电状态下平均长度至少约为100微米的结构。在某些实施例中，纳米结构的活性材料形成具有小于约百分之75的孔隙度的层。所述负电极的容量足以锂化激活所述非活性成分之后可用于在两个电极之间传输的所有 锂离子。还提供一种制造电化学电池的方法，该电化学电池包括具有纳米结构的活性材料的负电极和具有复合活性材料的正电极。复合材料又包括非活性成分和活性成分。该方法涉及通过将非活性成分的至少一部分转换成活性形式来激活该部分。该激活伴随着基于该部分的重量具有至少约100mAh/g的库伦含量的锂离子释放。负电极可以包括不少于所释放的锂离子的不可逆插入量的锂。所述不可逆插入量的锂离子中的至少一部分在激活期间可以插入到所述负电极中。在某些实施例中，在至少20次循环之后，纳米结构的活性材料具有至少约700mAh/g的可逆锂插入容量和至少约200mAh/g的不可逆锂插入容量。该方法还可涉及相对于正电极对准负电极以形成从果冻卷和堆叠构成的组选择的组件并将该组件包封到外壳中。在包封所述组件之后执行所述激活。所述激活可涉及将所述电化学电池充电到至少约4. 4V。可以在所述电化学电池的至少一次循环之后执行所述激活。还提供一种电池组，其包括根据以上权利要求中的任一项的电化学电池。在下面的本专利技术的说明书和附图中，将更详细地给出本专利技术的这些和其他特征，附图以示例方式示出本专利技术的原理。附图说明图I示出根据某些实施例的锂离子电池的示例。图2示出根据某些实施例的制造电化学电池的方法的示例。图3示出对于完全放电期间负活性材料基本没有锂离子的常规电池，正负电极的电压曲线图。图4示出根据某些实施例，对于完全放电期间负活性材料含有一些锂离子的电池，正负电极的电压曲线图。图5A-5B是根据某些实施例的示范性电极布置的示意性俯视图和示意性侧视图。图6A-6B是根据某些实施例的示范性圆形缠绕电池的示意性俯视图和示意性透视图。图7是根据某些实施例的示范性方形缠绕电池的示意性俯视图。图8A-8B是根据某些实施例的电极和隔板片的示范性堆叠的示意性俯视图和示意性透视图。图9是根据实施例的缠绕电池示例的示意性剖视图。图10是根据某些实施例，经过初始形成循环和激活循环的电池的示范性放电容量曲线图。具体实施例方式在以下描述中，阐述了很多特定细节以提供对本专利技术的透彻理解。可以无需一些或全部这些特定细节来实践本专利技术。在另一些情况下，未详细描述公知的过程操作，以免不必要地模糊本专利技术。尽管将结合特定实施例描述本专利技术，但将理解的是，并非要将本专利技术限制到实施例。I 引言很多应用需要也具有长循环寿命并能够工作在高电流(充放电)下的大容量电池。例如，电动机车将会受益于重量轻(出于性能、安全、经济和其他原因，最小化机车的总重量)、小巧(以增大乘客可用的内部空间)、具有长循环寿命(以增大电池更换间隔)和工作在高电流下(以在机车加速和制动期间工作良好)的电池。在汽车应用中有一些应用的常规锂离子电池具有基于石墨的负电极和基于锂-钴-氧化物或锂-铁-磷酸盐的正电极。令人遗憾的是，这些材料提供较小容量。例如，对于前沿消费电子产品的电池而言，当前可得的电池的比能量密度仅达到大约225Wh/go对于混合电动汽车(HEV)电池而言，这个值显著很低。非常希望提高电池的这个和其他性能特性。 总电池容量主要是正电极容量和负电极容量的函数。通常,每个电极的容量相匹配(例如，负电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·科腾斯泰特，E·M·伯蒂切夫斯基，C·I·斯蒂芬，G·A·罗伯茨，韩松，崔毅，
申请(专利权)人：安普雷斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：