CN109831926A - 形成蓄电池的方法 - Google Patents
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Abstract
形成电池单元的方法包括形成阳极区，所述阳极区包括集流体、多孔嵌入材料和阳极电解质。所述方法还包括形成离子传导分离器以及形成包括集流体和多孔嵌入材料的阴极区。所述方法还包括将第一锂反应产物和第一阴极电解质添加到阴极区，并在阴极和阳极之间应用充电电流。所述方法还包括从电池单元移除还原副产物。实施例还包括通过所述方法形成的电池。
Description
技术领域
本发明总地涉及蓄电池，并且更具体地涉及形成蓄电池的方法。
背景技术
可再充电锂电池因为它们与其他电化学能量存储设备相比的高比能而是用于便携式电气和电子设备以及电气和混合电动车辆的有吸引力的能量存储设备。典型的锂电池单元包含负电极、正电极以及位于负电极和正电极之间的分离器。两个电极都包含与铝可逆地反应的活性材料。在一些情况下，负电极可以包括可以电化学溶解并可逆地沉积的锂金属。分离器包含具有锂阳离子的电解质，并充当电极之间的物理屏障使得没有电极在电池单元内电气连接。
通常，在充电期间，在正电极处存在电子的生成并在负电极处存在电子的等量消耗。在放电期间，相反的反应发生。
形成电池单元的常规方法发现可控地制作具有小于大约30微米厚度的锂膜具有挑战性。为了容纳期望的电池容量，制造具有高负到正电极容量（例如，过量的锂）的电池单元通常是必要的。该制造技术导致比提供期望的容量所必要的更重且更大的电池单元。因此需要的是导致具有期望的容量的更轻且更小的电池单元的制造电池单元的方法。
发明内容
下面阐述了本文公开的某些实施例的概述。应当理解，这些方面仅仅是为了向读者提供这某些实施例的简要概述而呈现的，并且这些方面并没有限制本公开的范围的意图。实际上，本公开可以涵盖可能未在下面阐述的各种方面。
本公开的实施例涉及用于形成蓄电池的***和方法。
在一个实施例中，本发明提供一种形成电池单元的方法。所述方法包括形成包括集流体的阳极区。所述方法还包括形成离子传导分离器以及形成阴极区，所述阴极区包括集流体、（一个或多个）导电添加剂、可以容纳液体和/或气体的（大部分）连续孔结构以及电化学活性材料（例如，锂***材料）。所述方法还包括使包括第一锂反应产物的第一液体阴极电解质流动到阴极区中以及将充电电流应用到电池单元。实施例还包括通过所述方法形成的电池单元。
本发明还提供一种形成电池单元的方法，所述方法包括形成包括集流体和电化学活性材料（例如，锂***材料）的阳极区。所述方法还包括形成离子传导分离器和形成包括集流体和电化学活性材料的阴极区。所述方法还包括将第一锂反应产物和第一阴极电解质添加到阴极区，并在阴极和阳极之间应用充电电流。所述方法还包括从电池单元移除还原副产物。实施例还包括通过所述方法形成的电池单元。
本发明还提供一种电池单元。所述电池单元中锂金属的量可以是阴极区存储锂反应产物的容量的大约百分之100至大约百分之125。
在下面的附图、详细描述和权利要求中阐述了本公开的一个或多个特征、方面、实现方式和优点的细节。
附图说明
图1是图示了根据一些实施例的包括电池单元的电池的示意图。
图2是描述了根据一些实施例的用于形成电池单元的方法的实施例的流程图。
图3是描述了根据一些实施例的用于形成电池单元的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
下面将描述一个或多个特定实施例。对所描述的实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是容易清楚的，并且在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下，可以将本文限定的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，所描述的实施例不限于所示出的实施例，而是要符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。
在图1中示出了电池100的实施例。电池100包括电池单元102、阳极集流体105、阳极区110、分离器120、阴极区130以及阴极集流体135。在各种示例中，阳极集流体105包括金属箔（例如，铜、镍、钛）和/或锂***材料（例如，石墨）。在各种示例中，阳极110可以包括可氧化金属（例如，锂）、能够嵌入锂的材料（例如，石墨或硅）、固体聚合物电解质或聚合物粘合剂（例如，聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯）、电子导电添加剂（例如，炭黑、石墨或石墨烯）、离子传导陶瓷（例如锂磷氮氧化物（LiPON）、磷酸钛铝锂（LATP）或磷酸锗铝锂（LAGP））。在各种示例中，用于分离器120的合适材料可以包括多孔聚合物（例如，聚烯烃）、聚合物电解质（例如，聚苯乙烯-聚环氧乙烷（PS-PEO））、陶瓷（例如，锂磷氮氧化物（LiPON）、磷酸钛铝锂（LATP）或磷酸锗铝锂（LAGP））和/或二维片结构（例如，石墨烯、氮化硼或二硫化物）。在各种示例中，阴极区可以包括活性阴极材料，所述活性阴极材料诸如但不限于硫或含硫材料（例如，聚丙烯腈-硫复合物（PAN-S复合物）或硫化锂（Li2S））；钒氧化物（例如五氧化二钒（V2O5））；金属氟化物（例如钛、钒、铁、钴、铋、铜及其组合的氟化物）；锂***材料（例如，锂镍锰钴氧化物（NMC）、富锂NMC或锂镍锰氧化物（LiNi0.5Mn1.5O4））；锂过渡金属氧化物（例如，锂钴氧化物（LiCoO2）、锂锰氧化物（LiMn2O4）、锂镍钴铝氧化物（NCA）及其组合）；磷酸锂（例如，磷酸铁锂（LiFePO4））、多孔导电材料（例如，炭黑、碳纤维、石墨、石墨烯及其组合）和电解质。在各种示例中，阴极集流体135可以包括金属箔（例如，铝或钛）。
在一些实施例中，阴极区130、分离器120和/或阳极110可以包括离子传导电解质，所述离子传导电解质进一步包含金属盐（例如，溶解在环状和/或线性碳酸酯、醚、离子液体的混合物和/或其他溶剂中的六氟磷酸锂（LiPF6）、双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）或高氯酸锂（LiClO4）），所述金属盐为电解质提供附加的导电性，其降低电池单元的内部电气阻抗。
在各种实施例中，电池单元102的组分的厚度尺寸可以对于阳极区110为大约5至大约120微米，对于分离器120为小于大约50微米或在某些实施例中小于大约10微米，并且对于阴极区130为大约50至大约120微米。阳极和阴极厚度的范围不包括集流体的厚度，并且它们在双侧电极的情况下仅计及每个电极的一侧。
在电池单元102的放电期间，锂在阳极区110处被氧化以形成锂离子。锂离子通过电池单元102的分离器120迁移到阴极区130。在充电期间，锂离子返回到阳极区120并还原成锂。锂在锂阳极区110的情况下可以作为锂金属沉积在阳极区110上，或者在***材料阳极区110（诸如石墨）的情况下***到主结构中，并且随着后续的充电和放电循环重复该过程。在石墨或其他Li***电极的情况下，锂阳离子与电子和主材料（例如，石墨）组合，导致主材料的锂化程度或“荷电状态”的增加。例如，。在一些实施例中，电池单元中锂金属的量是阴极区存储锂反应产物的容量的大约百分之100至大约百分之125。
图2是制造电池单元的方法200的流程图。在一些实施例中，方法200可以用于制造电池单元102。在图2的示例中，在块210处，形成阳极区110，其包括阳极集流体105（例如，金属箔）和阳极区电解质（例如，阳极电解质）。在一些实施例中，阳极区110还可以包括能够嵌入锂的多孔材料。在一些实施例中，阳极区110可以最初形成为没有可氧化金属（例如，锂）。
在图2的示例中，在块220处，分离器120形成在阳极区110上。分离器120电气隔离阳极区110，同时允许锂离子传入到阳极区110中和从阳极区110传出。
在图2的示例中，在块230处，阴极区130形成在分离器120上。阴极区130可以包括阴极集流体135和阴极区电解质（例如，阴极电解质）。在一些实施例中，阴极区130还可以包括阴极活性材料、电子导电材料（例如，碳纤维、石墨和/或炭黑）或多孔基板（例如，Ni泡沫、多孔C、SiC纤维等）、气体扩散层、气体流场和任何附加组分。在可替换实施例中，阳极区110、分离器120和阴极区130可以在单个步骤中层压在一起。
在图2的示例中，在块240处，将第一液体电解质（例如，第一阴极电解质）添加到阴极区130。在一些实施例中，第一阴极电解质可以包括有机电解质（例如，环状碳酸酯、线性碳酸酯、醚、二甲醚（DME）、二甲亚砜（DMSO），氧杂茂、腈及其组合）、锂盐（例如， 六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）和/或锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）。在某些实施例中，第一阴极电解质可以附加地包括充电氧化还原对（例如，茂金属（例如，二茂铁、正丁基二茂铁、N,N-二甲基二茂铁）、卤素（例如I-/I3-）、芳族分子（例如，四甲基苯二胺））。在一些实施例中，第一阴极电解质可以包括熔融电解质（例如，硝酸盐或硝酸盐 -硝酸盐共晶）、锂盐（例如氯化锂（LiCl））和/或锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）。在某些实施例中，第一阴极电解质可以附加地包括充电氧化还原对（例如，茂金属（例如，二茂铁、正丁基二茂铁、N,N-二甲基二茂铁）、卤素（例如I-/I3-）、芳族分子（例如，四甲基苯二胺））。在一些实施例中，第一阴极电解质可以包括含水电解质、锂盐（例如，LiOH、LiCl及其组合）和锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）。在某些实施例中，第一阴极电解质可以附加地包括充电氧化还原对（例如，茂金属（例如，二茂铁、正丁基二茂铁、N,N-二甲基二茂铁）、卤素（例如I-/I3-）、芳族分子（例如，四甲基苯二胺））。
在图2的示例中，在块250处，将充电电流应用到电池单元102，引起溶解在阴极区电解质（例如，阴极电解质）中的锂离子通过分离器120迁移到阳极区110，在阳极区110中它们还原成锂。充电电流和充电电流的应用持续时长以及供给到阴极区130的含锂第一阴极电解质的量控制阳极区110中沉积的锂的厚度。在其中锂反应产物（即，锂源）不可溶或微溶的情况下，可以添加氧化还原添加剂以便促进锂反应产物的氧化，所述氧化还原添加剂具有高于锂反应产物的氧化还原电势的氧化还原电压的氧化还原电压。在一些实施例中，沉积的锂的厚度至少为大约5微米和/或小于大约100微米。在一些实施例中，电池单元中锂金属的量具有为阴极区存储锂反应产物的容量的大约百分之100至大约百分之125的容量。
在一些实施例中，在充电电流的应用期间，向阴极区130持续地提供第一阴极电解质。在一些实施例中，第一阴极电解质包括第一锂盐（例如，双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）、六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4））。在一些实施例中，第一阴极电解质在充电电流的应用之后被移除（例如，真空干燥）并被用第二阴极电解质代替。在一些实施例中，第二阴极电解质可以包括有机电解质（例如，环状碳酸酯、线性碳酸酯、醚、二甲醚（DME）、二甲亚砜（DMSO），氧杂茂、腈及其组合）、锂盐（例如，六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）和/或锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）。在某些实施例中，第二阴极电解质可以附加地包括充电氧化还原对（例如，茂金属（例如，二茂铁、正丁基二茂铁、N,N-二甲基二茂铁）、卤素（例如I-/I3-）、芳族分子（例如，四甲基苯二胺））。在一些实施例中，第二阴极电解质可以包括熔融电解质（例如，硝酸盐或硝酸盐-硝酸盐共晶）、锂盐（例如氯化锂（LiCl））和/或锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）。在某些实施例中，第二阴极电解质可以附加地包括充电氧化还原对（例如，茂金属（例如，二茂铁、正丁基二茂铁、N,N-二甲基二茂铁）、卤素（例如I-/I3-）、芳族分子（例如，四甲基苯二胺））。在一些实施例中，第二阴极电解质可以包括含水电解质、锂盐（例如，LiOH、LiCl及其组合）和锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、碳酸锂（Li2CO3）及其组合）。在某些实施例中，第二阴极电解质可以附加地包括充电氧化还原对（例如，茂金属（例如，二茂铁、正丁基二茂铁、N,N-二甲基二茂铁）、卤素（例如I-/I3-）、芳族分子（例如，四甲基苯二胺））。在一些实施例中，第一阴极电解质不同于第二阴极电解质。在其他实施例中，第一阴极电解质可以与第二阴极电解质相同。在一些实施例中，第二阴极电解质包括第二锂盐（例如，双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）、六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4））。在某些实施例中，第一锂盐不同于第二锂盐。
图3是制造电池单元的方法300的流程图。在一些实施例中，方法300可以用于制造电池单元102。在图3的示例中，在块310处，形成阳极区110，其包括阳极集流体105（例如，金属箔）和阳极区电解质（例如，阳极电解质）。在一些实施例中，阳极区110还可以包括能够嵌入锂的材料。在块320处，将分离器120与阳极区110层压。分离器120电气隔离阳极区110，同时允许锂离子传入到阳极区110中和从阳极区110传出。在块330处，阴极区130与分离器120层压。阴极区130可以包括阴极集流体135。在一些实施例中，阴极区130还可以包括阴极活性材料、嵌入材料、气体扩散层、气体流场和任何附加组分。在块340处，将锂反应产物（例如，过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、氯化锂（LiCl）、溴化锂（LiBr）、碳酸锂（Li2CO3）、氢氧化锂（LiOH或LiOH.H2O））、电化学活性（例如，锂***）材料和阴极区电解质（例如，阴极电解质）添加到阴极区130。在一些实施例中，锂反应产物处于固体形式。在一些实施例中，阴极电解质处于固体形式。在某些实施例中，锂反应产物和阴极电解质两者都处于固体形式。在块350处，将充电电流应用到电池单元102，引起锂反应产物离解，从而允许锂离子通过分离器120迁移到阳极区110，在阳极区110中它们还原成锂。充电电流和充电电流的应用持续时长以及供给到阴极区130的含锂第一阴极电解质的量控制阳极区110中沉积的锂的厚度。在一些实施例中，沉积的锂的厚度至少为大约5微米和/或小于大约100微米。在块360处，可以在充电电流的应用期间和/或之后，从电池单元102移除通过锂反应产物的锂的还原所形成的副产物（例如，氧气（O2）、氯气（Cl2）、溴气（Br2））。在某些实施例中，可以经由排气口和/或阀门移除副产物。在某些实施例中，可以通过打开密封电池单元102、移除副产物并重新密封电池单元102来移除副产物。
在一些实施例中，图2的方法可以与图3的方法组合使用。在某些实施例中，可以依次使用图2和图3的方法。
已经作为举例示出了上文描述的实施例，并且应当理解，这些实施例可以容许各种修改和替换形式。还应当理解，权利要求没有限于所公开的特定形式的意图，而是意图覆盖落入本公开的精神和范围的所有修改、等同物和替换物。
Claims (34)
1.一种形成电池单元的方法，包括：
a) 形成包括集流体的阳极区；
b) 形成离子传导分离器；
c) 形成包括集流体和电化学活性材料的阴极区；
d) 使包括第一锂反应产物的第一液体电解质流动到阴极区中；
e) 将充电电流应用到电池单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其中阳极区还包括阳极电解质。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在应用充电电流时，使第一液体电解质持续地流动到阴极区中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中第一锂反应产物包括氯化锂（LiCl）、溴化锂（LiBr）、氢氧化锂（LiOH）或氢氧化锂一水合物（LiOH.H2O）、过氧化锂（Li2O2）或氧化锂（Li2O）。
5.根据权利要求1所述的方法，其中第一锂反应产物的浓度在充电电流的应用期间保持基本恒定。
6.根据权利要求1所述的方法，其中第一液体电解质包括选自由有机电解质、熔融电解质和含水电解质组成的列表的材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中第一液体电解质包括有机电解质，所述有机电解质还包括有机溶剂、锂盐和锂反应产物。
8.根据权利要求6所述的方法，其中第一液体电解质包括熔融电解质，所述熔融电解质还包括硝酸盐或硝酸盐-硝酸盐共晶、锂盐和锂反应产物。
9.根据权利要求6所述的方法，其中第一液体电解质包括含水电解质，所述含水电解质还包括水或醇、锂盐和锂反应产物。
10.根据权利要求6所述的方法，其中第一液体电解质还包括充电氧化还原对。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括移除第一液体电解质。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过真空干燥来移除第一液体电解质。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括将第二电解质添加到阴极区。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在第一液体电解质的移除之后添加第二电解质。
15.根据权利要求13所述的方法，其中第二电解质包括选自由有机电解质、熔融电解质和含水电解质组成的列表的材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中第二电解质包括有机电解质，所述有机电解质还包括有机溶剂、锂盐和锂反应产物。
17.根据权利要求15所述的方法，其中第二电解质包括熔融电解质，所述熔融电解质还包括硝酸盐或硝酸盐-硝酸盐共晶、锂盐和锂反应产物。
18.根据权利要求15所述的方法，其中第二电解质包括含水电解质，所述含水电解质还包括水或醇、锂盐和锂反应产物。
19.根据权利要求15所述的方法，其中第二电解质还包括充电氧化还原对。
20.根据权利要求1所述的方法，其中阳极区还包括锂嵌入材料。
21.根据权利要求1所述的方法，其中阳极区最初形成为没有可氧化金属。
22.一种形成电池单元的方法，包括：
a) 形成包括集流体、锂嵌入材料和阳极电解质的阳极区；
b) 形成离子传导分离器；
c) 形成包括集流体和电化学活性材料的阴极区；
d) 将第一锂反应产物和第一电解质添加到阴极区；
e) 在阴极和阳极之间应用充电电流；
f) 从电池单元移除还原副产物。
23.根据权利要求22所述的方法，其中第一锂反应产物包括过氧化锂（Li2O2）、氧化锂（Li2O）、溴化锂（LiBr）或氯化锂（LiCl）。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括将第二电解质添加到阴极区。
25.根据权利要求24所述的方法，其中第二电解质包括固体电解质。
26.根据权利要求24所述的方法，其中第二电解质包括聚合物电解质。
27.根据权利要求22所述的方法，还包括在将第一锂反应产物和第一电解质添加到阴极区之后密封电池单元。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括在还原副产物的移除之前解封电池单元。
29.根据权利要求28所述的方法，其中解封电池单元包括打开阀门。
30.根据权利要求22所述的方法，其中阳极区最初形成为没有可氧化金属。
31.一种通过权利要求1所述的方法形成的电池单元，
其中所述电池单元中的锂金属的量是阴极区存储锂反应产物的容量的大约百分之100至大约百分之125。
32.根据权利要求31所述的电池单元，其中阳极区的锂金属的厚度是大约5微米至大约100微米。
33.一种通过权利要求22所述的方法形成的电池单元，
其中所述电池单元中的锂金属的量是阴极区存储锂反应产物的容量的大约百分之100至大约百分之125。
34.根据权利要求33所述的电池单元，其中阳极区的锂金属的厚度是大约5微米至大约100微米。
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