LI-离子电池负极的稳定化制造技术

提供一种Li‑离子电池，其包括正极，包括活性颗粒的负极，使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质，使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜，和引入所述负极或所述隔膜中的至少一种氢氟酸中和剂。还提供一种Li‑离子电池，其包括正极、包括活性颗粒的负极、使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质、和使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜，其中所述电解质由酰亚胺盐和选自由LiPF6、LiBF4和LiClO4组成的组的至少一种盐的混合物形成。还提供一种Li‑离子电池负极，其包括活性材料核和至少部分包裹所述活性材料核的保护涂层，其中所述保护涂层包括耐氢氟酸渗透的材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】L1-离子电池负极的稳定化相关申请的交叉参考本专利申请要求2012年2月6日提交的题为“L1-离子电池负极的稳定化”的美国非临时专利申请13/366，594的优先权和2011年2月7日提交的题为“包含硅负极的Li离子电池的稳定化”的美国临时专利申请61/440，104的优先权，将它们明确地引入本文以作参考。
本公开内容一般涉及储能设备，更特别地涉及锂离子电池技术。
技术介绍
部分地由于锂离子(L1-离子)电池相对高的能量密度、轻重量和寿命长的潜力，锂离子(L1-离子)电池被广泛用于消费类电子产品。事实上，L1-离子电池已经在许多应用中基本上取代了镍-镉和镍-金属-氢化物电池。尽管它们越来越商业普及，但仍需要L1-离子电池的进一步开发，特别是对于在低-或零排放混合动力或全电动汽车、消费类电子产品、高效节能的货船和火车、航天和电网中的潜在应用的开发。该高功率应用要求具有比用于当前存在的L1-离子电池中的那些更高的电容率的电极。目前，碳类材料(例如，石墨)用作L1-离子电池中的主要负极材料。石墨形式中的碳(C)具有约372毫安小时/每克(mAh/g)的最大或理论上的电容率，但是在形成循环期间遭受显著的电容损失。显著地，在第一次充电循环期间，石墨经历高水平的不可逆性，这意味着显著量的锂离子嵌入石墨负极，但是在电池放电时不从负极脱嵌。这导致碳类材料的有限的电容。已经在研究多种高电容的材料以克服这些缺陷。例如，硅类材料作为负极候选材料得到极大关注，因为它们显示大于常规石墨的电容率的量级的电容率。硅(Si)具有所有金属中最高的理论上的电容率，封顶在约4200mAh/g。不幸的是，硅遭受其自身的显著的阻碍。S1-类负极材料的首要缺点是在电池的充电循环期间分别由于锂离子合金化或去合金化而出现的体积膨胀和收缩。在一些情况下，硅类负极能够显示增加和随后减少高达约400%体积。这些由负极材料经历的高水平应变可引起对负极的不可逆的机械损害。最终，这能够导致负极和下方集电体之间的接触的损失。因而，尽管负极材料中得到的优点，但L1-离子电池在其应用中仍有一定的限制。因此，仍然存在对于改进L1-离子电池中的负极的需要。特别地，实现稳定的负极性能对于许多高电容的材料仍是挑战。这些改进的负极和最终改进的L1-离子电池可以开拓新的应用，如上述设想的所谓的高功率应用。
技术实现思路
这里公开的实施方案通过提供改进的L1-离子电池组件、由其制造的改进的L1-离子电池以及制造和使用其的方法来解决上述需求。在一些实施方案中，提供包括以下的L1-离子电池:正极、包括活性颗粒的负极、使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质、使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜和引入所述负极或所述隔膜中的至少一种氢氟酸中和剂。所述活性颗粒可以包括例如硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、钛(Ti)、铝(Al)或镁(Mg)中的至少一种。所述氢氟酸中和剂可以为例如氢氟酸结合性金属衍生物盐或氧化物，或具有自由电子对的路易斯碱。所述氢氟酸中和剂在不同的设计中可以(i)设置在形成所述负极的活性粉末中，(?)是涂布在所述活性颗粒上的聚合物的一部分，(iii)集成至所述隔膜中或形成在所述隔膜上，或(iv)设置在与所述负极中的所述活性颗粒混合的粘合剂中，或者其组合。在其它实施方案中，提供包括以下的L1-离子电池:正极、包括活性颗粒的负极、使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质和使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜，其中所述电解质可以由酰亚胺盐和选自由六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)和高氯酸锂(LiClO4)组成的组的至少一种盐的混合物形成。所述酰亚胺盐组成例如所述电解质以重量计的至少50%。在一些设计中，所述酰亚胺盐可以组成所述电解质以重量计的约75%至约90%范围内的百分比。所述酰亚胺盐可以为如下将更详细讨论的特定类别的锂化合物中的一种或多种。 在又一些其它实施方案中，提供锂离子嵌入和脱嵌的L1-离子电池负极。所述L1-离子负极可以包括活性材料核和至少部分包裹所述活性材料核的保护涂层，其中所述保护涂层包括耐氢氟酸渗透的材料。所述活性材料核可以包括例如硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、钛(Ti)、铝(Al)或镁(Mg)中的至少一种。所述保护涂层可以为包括聚合物、金属氧化物、金属氟化物、碳或其组合的L1-离子可渗透的且电解质溶剂不可渗透的材料。在一些设计中，所述保护涂层可以为能够在锂化期间伸张和在脱锂期间收缩的挠性材料。在其它设计中，所述保护涂层可以形成围绕所述活性材料核的机械稳定的且可塑性变形的壳。在该情况下，L1-离子电池负极可以进一步包括设置在所述保护涂层壳和所述活性材料核之间的碳类层。此外，当所述活性材料核处于脱锂状态时至少一种孔可以设置在所述保护涂层壳和所述活性材料核之间，从而适应在锂化期间所述活性材料核中的体积变化。设置在所述保护涂层壳和所述活性材料核之间的所述至少一种孔可以包括通过也设置在所述保护涂层壳和所述活性材料核之间的碳类中间材料(carbon-based intervening material)分隔的多个孔。所述L1-离子电池负极也可以进一步包括设置在所述保护涂层壳上的额外的聚合物或碳导电层。所述保护涂层壳可以提供用于形成固体-电解质中间相层的机械稳定的表面。还可以提供包括此类L1-离子电池负极的L1-离子电池。【附图说明】提供附图以帮助描述本专利技术的实施方案，并且仅为了实施方案的说明而提供，并非对本专利技术进行限定。图1A-1E说明几个电解质组合物的实例和它们对铝正极的腐蚀的不同影响。图2说明根据一个或多个实施方案的实例的负极保护涂层的配置。图3A-3B说明分别为根据一个实施方案的碳保护涂层实例的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图像。图4说明根据一个或多个实施方案的负极保护涂层壳的配置实例的锂化和脱锂。图5A-5F说明根据多种实施方案的几个不同的复合负极保护涂层的结构实例。图6A-6C说明对图OT-5F的复合负极保护涂层的结构实例的锂化和脱锂的影响。图7为描述根据一个或多个实施方案的图5A-5F的复合负极保护涂层的结构实例形成的图形流程图。图8为说明根据一个或多个实施方案的形成机械稳定的负极保护涂层壳的方法实例的工艺流程图。图9说明L1-离子电池的实例，其中根据多种实施方案可以应用上述装置、方法和其它技术或者其组合。【具体实施方式】在以下描述和涉及本专利技术的具体实施方案的相关附图中公开本专利技术的方面。术语“本专利技术的实施方案”不要求本专利技术的所有实施方案包括所讨论的特征、优点、过程或操作模式，并且在不偏离本专利技术的范围的情况下，可以设计替代的实施方案。此外，本专利技术中公知的要素可能没有被详细地描述，或者可能被省略，以便使其它更相关的细节清晰。如在上述
技术介绍
中所讨论的，在L1-离子电池中实现稳定的负极性能对于许多高电容负极材料是一种挑战。这对于很多情况适用，但并未完全理解全部情况。本专利技术人发现，例如，在电池电解质中的或者在L1-离子电池循环期间原位产生的氢氟酸(HF)的存在成为主要的娃负极劣化的机理之一。尽管对娃的一般理解为实质上不与氢氟酸进行化学反应，所述氢氟酸通常仅除去硅的原始氧化物(native oxide)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Li?离子电池，其包括：正极；包括活性颗粒的负极；使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质；使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜；和引入所述负极或所述隔膜中的至少一种氢氟酸中和剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.07 US 61/440,104;2012.02.06 US 13/366,5941.一种L1-离子电池，其包括: 正极； 包括活性颗粒的负极； 使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质； 使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜；和 引入所述负极或所述隔膜中的至少一种氢氟酸中和剂。2.根据权利要求1所述的L1-离子电池，其中所述活性颗粒包括硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、钛(Ti)、铝(Al)或镁(Mg)中的至少一种。3.根据权利要求1所述的L1-离子电池，其中所述氢氟酸中和剂为氢氟酸结合性金属衍生物盐或氧化物，或者具有自由电子对的路易斯碱。4.根据权利要求1所述的L1-离子电池，其中所述氢氟酸中和剂⑴设置在形成所述负极的活性粉末中，(ii)是涂布在所述活性颗粒上的聚合物的一部分，(iii)集成至所述隔膜中或形成在所述隔膜上，或(iv)设置在与所述负极中的所述活性颗粒混合的粘合剂中。5.一种L1-离子电池，其包括: 正极； 包括活性颗粒的负极； 使所述负极和所述正极进行离子连接的电解质；和 使所述负极和所述正极进行电隔离的隔膜； 其中所述电解质由酰亚胺盐和选自由六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)和高氯酸锂(LiClO4)组成的组的至少一种盐的混合物形成。6.根据权利要求5所述的L1-离子电池，其中所述酰亚胺盐组成所述电解质以重量计的至少50%。7.根据权利要求6所述的L1-离子电池，其中所述酰亚胺盐组成所述电解质以重量计的约75%至约90%范围内的百分比。8.根据权利 要求5所述的L1-离子电池，其中所述酰亚胺盐包括由下式表示的锂化合物: Rf1SO2X-(Li+) YZa, 其中X为C或N，a=0或1，条件是当X为C时a=l，和当X为N时a=0 ;其中，当 a=l 时，Y 和 Z 为独立地选自由 CN、SO2Rf2, SO2R, P (O) (OR)2, CO2R, P (O) R2, C (O)Rf3、C (O) R、由此形成的环烯基、和H组成的组的吸电子基团，条件是Y和Z不能同时为H ;其中，进一步，RA Rf2和R/为任选用一个以上的醚氧取代的1-4个碳原子的全氟烷基残基; 其中R为任选用一个以上的醚氧取代的1-6个碳原子的烷基，或任选进一步取代的芳基; 或者其中，当a=0时，Y为由式SO2Rf6表示的吸电子基团，其中Rf6为由...

【专利技术属性】
技术研发人员：格列布·有信，波格丹·翟迪尔康，卡拉·爱娃诺夫，
申请(专利权)人：斯拉纳米技术有限公司，乔治亚技术研究公司，
类型：
国别省市：