[發明專利]用于可充電的鋰電池組的氫化鋰負極

有效

• 申請號: 200810099073.5
• 申請日: 2008-05-16
• 公開（公告）號: CN101345300A
• 公開（公告）日: 2009-01-14
• 發明（設計）人: G·－A·納奇里;L·艾馬;Y·歐梅拉爾;A·羅吉爾;J·－M·塔拉斯康
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/40
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫宏艷;韋欣華

技術領域

本公開內容涉及具有一種或多種其它金屬的氫化鋰作為針對鋰電池組(battery)應用的可充電(rechargeable)負極材料的用途。更具體地，本公開內容涉及用于鋰電池組的負極組合物，該負極組合物包含氫化鋰和第二金屬，其中氫化鋰是在電池組的每次充電期間形成和第二金屬的氫化物是在電池組放電時形成。

背景技術

鋰電池組，有時被描述為鋰離子電池組，因為鋰是非常輕的元素而提供高能量密度前景。它們用于筆記本電腦、電動工具和其它便攜設備，它們可以使用相對低電勢的電能的電源。鋰電池組還正被開發用于汽車交通工具應用。

金屬鋰(一般作為鋰離子嵌入在合適的分層碳材料中)已經被用作為可充電鋰電池組的負極。在該電池組放電期間，在負極中的鋰金屬被氧化為進入電解質(electrolyte)中的鋰離子(Li⁺)，在充電期間在電解質中的鋰離子被還原為鋰金屬和再沉積在電極上。然而，在充電過程期間，鋰的不均勻沉積產生樹枝狀鋰，其可以在電池的工作中帶來困難。已經開展了很多工作來解決鋰電池組的鋰枝狀生長問題，例如在電池(cell)中使用各種抑制劑和添加劑。一個商業化的解決方案已經用于Li離子系統，其中該鋰金屬負極用碳基電極替換。然而，碳電極的容量明顯地小于鋰金屬。因此，存在設計出用于鋰離子電池組的替換性電極材料的動機。

需要鋰電池組的改進的負極組合物。

發明內容

在本公開內容中，氫化鋰與一種或多種第二金屬(或半金屬或合金)結合用作可充電的鋰離子電池組的負極組合物的一部分。在裝配的鋰電池組中，該負極組合物(陽極)與合適的電解質和陰極結合使用。該電解質可以是例如溶解在混合的有機碳酸酯(如碳酸亞乙酯和碳酸二甲基)溶劑中的鋰鹽、如六氟磷酸鋰(LiPF₆)。有時，該電解質使用凝膠以包含或組成該電解質和有時該電解質包括傳導性聚合物或鋰傳導性(conducting)陶瓷。該陰極通常是組合物(如過渡金屬氧化物或磷酸鹽)，它們在電池組的放電期間可以接受來自陽極移動通過電解質的鋰離子。

在本發明的實施方案中，在該負極組合物的充電狀態中，鋰基本以與一種或多種第二金屬的小顆粒混合的它的氫化物(LiH)的小顆粒存在，該第二金屬顆粒以其氧化狀態存在。當電流從該電池組中流出時，鋰產生氫到第二金屬顆粒(該顆粒變成金屬氫化物顆粒)且鋰離子進入電解質中。當電池組被充電，鋰被注入到負極組合物中，在該組合物中它與第二金屬氫化物反應以再次形成氫化鋰小顆粒。

負極組合物的制備將在實施方案中描述，在該實施方案中，傳導性碳顆粒和聚合物粘結劑與金屬氫化物一起使用。在該實施方案中，氫化鋰以用于電極組合物的前體混合物形式原位形成。第二金屬的氫化物的顆粒(如氫化鈦(TiH₂)或氫化鎂(MgH₂))與傳導性碳的顆粒混合。優選地第二金屬氫化物的顆粒非常小，例如最大尺寸小于1微米。該混合可以通過例如球磨進行。一定量的粘結劑(例如，基于乙烯-丙烯-二烯單體的且溶于二甲苯的聚合物)與碳和金屬氫化物混合且該墨水狀的混合物作為電極膜被施用在導電性電極載體上(如銅箔)并干燥。然后，按化學計算的量(或更多量)的鋰金屬被電化學注入到電極載體上的顆粒前體混合物中。

可以使用鋰箔以使鋰離子注入通過合適的包含鋰離子的電解質且以將鋰金屬沉積到電極載體上的前體膜中。安排這些電化學電路元件和使直流電壓被施加在鋰箔上和傳導性電極載體上。被注入到負極前體材料中的鋰與金屬氫化物顆粒根據下面反應式進行反應：

MHx+xLi⁺+xe^-→xLiH+M

其中，M是金屬、半金屬或合金，例如鈦、鎂或例如鑭和鎳的組合(LaNi5)。上面的反應是可逆的且為鋰電池組的負極的重復充放電提供了化學基礎。

它證明了，在將鋰注入到前體材料過程和后面的反應中，氫化鋰和第二金屬的非常小顆粒(通常納米尺寸的顆粒)原位形成以提供有效的和活性的電極材料。該電極材料還可以通過合適金屬氫化物被鋰直接化學還原或其它已知的化學/物理方法(如機械研磨)和其它已知的合成方法制成。