[發(fā)明專利]原電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080057064.5
• 申請日: 2010-10-28
• 公開（公告）號: CN102656727A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: T·韋爾勒;J·費策爾
• 申請（專利權(quán)）人: SB鋰摩托有限公司;SB鋰摩托德國有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/133;H01M4/1393
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 蘇娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種原電池以及一種用于對其進(jìn)行制造的方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池包括負(fù)電極，其也被稱為陽極，大多數(shù)情況下為石墨，即所謂的嵌入式石墨，其可逆地以電化學(xué)方式在其三維的層結(jié)構(gòu)中存儲和釋放鋰離子(Li⁺)。在此也稱為嵌鋰和脫鋰。但石墨的鋰容納能力是有限的。如果石墨被完全鋰化，石墨的碳原子與鋰原子的比例為六比一。相應(yīng)地，化學(xué)式為Li₁C₆。嵌入式石墨的可逆理論單位電容量為372mAh/g。

除了可逆理論單位電容量局限于372mAh/g外，石墨還具有其它的缺點：

因為單是石墨的電導(dǎo)率對于大電流應(yīng)用是不夠的，所以負(fù)電極大多數(shù)情況下還包括所謂的導(dǎo)電碳黑。但因為導(dǎo)電碳黑為惰性的電池組成部分，因此導(dǎo)電碳黑在電極制造中很難擴(kuò)散到涂層物質(zhì)中并且還使系統(tǒng)的能量密度減小。此外，傳統(tǒng)的包含導(dǎo)電碳黑作為導(dǎo)電材料的電極也很難被壓縮。

此外，石墨的晶體石墨密度可以通過鋰原子的存儲和釋放而增加和下降。由此可以中斷在碳黑與用于接觸負(fù)電極的金屬接觸元件之間的電連接。這導(dǎo)致可循環(huán)的電容量的損失以及導(dǎo)致鋰離子電池的內(nèi)阻和阻抗增大。

石墨的另一缺點是形成固體電解質(zhì)膜(固體電解質(zhì)界面(SEI))。該固體電解質(zhì)膜在石墨表面上形成，但為此需要鋰離子，這些鋰離子最終不可逆地析出。這在第一充電循環(huán)中導(dǎo)致鋰的不可逆“消耗”。

公開文獻(xiàn)US?2009/0117467A1描述了一種用于鋰離子電池的負(fù)電極的材料成分，該鋰離子電池包括由電化學(xué)的活性材料和納米級石墨烯薄片組成的混合物。納米級石墨烯薄片在此主要由一片石墨烯平面組成或者由多片層疊的且通過范德華力相互結(jié)合的石墨烯平面組成。公開文獻(xiàn)US?2009/0117467A1公開了在此不僅電化學(xué)的活性材料而且納米級的石墨烯薄片都能夠吸收和析出鋰離子。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的對象是一種原電池，例如蓄電池或蓄電池組，特別是鋰離子電池，所述鋰離子電池包括負(fù)電極(也可稱為陽極)、正電極(也可稱為陰極)以及布置在負(fù)電極和正電極之間的分離器。

根據(jù)本發(fā)明，在此負(fù)電極包括至少一個層系統(tǒng)，該層系統(tǒng)包括至少兩個石墨烯層和至少一個聚合物層，其中聚合物層布置在兩個石墨烯層之間。

在此，石墨烯層可以包括一個石墨烯片或由二至十個，例如由二至五個，特別地由二至三個層疊的石墨烯片組成的多片系統(tǒng)。優(yōu)選地，石墨烯層包括一個石墨烯片。在此特別地，石墨烯片可以理解為一層以六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)布置的碳原子，且其層厚為一個碳原子(大約為0.34nm)。石墨烯層在本發(fā)明的范圍內(nèi)不屬于聚合物。

在給原電池充電時，可以在石墨烯層上吸收鋰原子，在放電時又由石墨烯層析出。這個反應(yīng)有利地具有快速的動力學(xué)。此外，在鋰原子和石墨烯層之間的親和力有利地非常高。由于快速的動力學(xué)，原電池有利地具有高的大電流負(fù)荷能力。此外，通過快速的動力學(xué)可以避免由析出的金屬鋰形成固體電解質(zhì)膜(固體電解質(zhì)界面(SEI))。由此又可以防止鋰在形成期間不可逆地從系統(tǒng)析出。這具有如下優(yōu)點：可以避免在嵌入石墨的情況下大約為10％的形成損失。

此外石墨烯層還通過聚合物層相互隔開，使得在兩個石墨烯層的兩側(cè)上積聚鋰原子。特別地，石墨烯層的每個碳原子六元環(huán)可以結(jié)合兩個鋰原子，這可以產(chǎn)生C₆Li₂的化學(xué)式。因此與具有C₆Li化學(xué)式的石墨相比，每個碳原子有利地可以積聚雙倍數(shù)量的鋰原子。因此，負(fù)電極可以具有高的鋰離子儲存能力、高的單位電容量(特別地為744mAh/g)以及例如增大10％至35％的能量密度。此外，通過單位電容量的提高可以有利地減小負(fù)電極的厚度并且改進(jìn)高電流負(fù)荷能力和脈沖負(fù)荷能力。

因為石墨烯層本身具有高的電導(dǎo)率，所以還可以省去導(dǎo)電碳黑，并且避免導(dǎo)電碳黑與金屬的接觸電極脫開。通過這種方式，可以延長原電池的使用壽命。此外，由此原電池的單位電容量、內(nèi)阻以及阻抗在原電池的使用壽命期間可以非常穩(wěn)定。此外，通過避免了惰性組成部分導(dǎo)電碳黑可以簡單地增大能量密度。

在原電池的實施方式的范圍內(nèi)，每個石墨烯層由一個石墨烯片組成。

在原電池的另一實施方式的范圍內(nèi)，在石墨烯層上積聚有鋰原子或能夠積聚鋰原子。特別地，在石墨烯層的兩側(cè)上積聚或能夠積聚鋰原子。

在原電池的另一實施方式的范圍內(nèi)，石墨烯層的碳原子的數(shù)量與在石墨烯層上積聚的鋰原子的數(shù)量之比為6∶1.8至6∶2.2，特別地為大約6∶2。