[發(fā)明專利]高容量合金陽極和包含其的鋰離子電化學電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201180053651.1
• 申請日: 2011-10-31
• 公開（公告）號: CN103201883A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設計）人: 馬克·N·奧布羅瓦茨
• 申請（專利權）人: 3M創(chuàng)新有限公司
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M4/1391;H01M4/38;H01M4/485;H01M4/525;H01M4/587;H01M4/62;H01M4/66;H01M10/0525;H01M4/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 牛海軍

技術領域

本發(fā)明涉及高密度合金陽極和包含此類陽極的鋰離子電化學電池。

背景技術

鋰離子電化學電池包括陰極、陽極、隔板和通常封裝在電池外殼或容器中的電解質。陰極和陽極可包括金屬集電體及電極涂層-通常沉積在集電體的兩側上。電極涂層包含電化學活性材料或下述材料，該材料在電池放電時可以以電化學方式與鋰反應產生電化學能而在電池充電時儲存電化學能。

由于它們具有在相對小的體積中儲存大量能量的能力，故目前，對于鋰離子電化學電池在電子器件和運載工具中的使用，人們有著濃厚的興趣。但常規(guī)鋰離子電化學電池可以提供的能量的量有限。

發(fā)明內容

鋰離子電化學電池的能量容量的一個限制因素為每單位面積電極的容量。該容量常被稱為電極負荷。一般而言，增大電極負荷將使得電池能量增大。這是因為，與使用低負荷的電池相比，在具有高負荷的鋰離子電化學電池中，較多的體積被活性材料所占據而較少的體積被非活性電池部件(例如，隔板和集電體)所占據。對于給定的電極材料，可以通過在集電體上涂布更多的電極材料來增大電極負荷，這可增大涂層厚度。存在電極材料的最大量或最大厚度或者電化學電池中每個電極上可以使用的電極材料的最大允許值。高電極負荷，例如高于電極的最大允許值的那些，可使得電極令人棘手地厚，以致電極可能太易碎以致不能操作或者太厚以致不能卷繞進圓柱形電池設計的殼中。此外，電極涂層的總厚度也可能大到導致鋰離子行進的擴散路徑長度過度并可嚴重減小電池倍率容量。

出于以上原因，典型的鋰離子電化學電池中的電極負荷局限于約4mAh/cm²每涂布側。需要具有高于此極限的負荷的電極。也需要鋰離子電化學電池(其可具有固定的體積)在其所供能的裝置的能量需求增大時具有更高的能量容量。

在一個方面，提供了一種鋰離子電化學電池，其包括陰極、電解質和陽極，所述陰極在第一集電體上包括電化學活性金屬氧化物涂層，所述陽極在第二集電體上包含電化學活性合金涂層，其中陽極和陰極二者的電極負荷均大于約4.5mAh/cm²每涂布側。電化學活性金屬氧化物涂層可以包含鈷、錳、鎳或者它們的組合。電化學活性陽極涂層可以包含粘結劑如聚丙烯酸鋰。電化學活性金屬氧化物涂層的涂層重量可以大于約30mg/cm²，電化學活性陽極涂層的涂層重量可以大于約15mg/cm²。陰極的首次充電容量可以在陽極的首次充電容量的15％內或甚至10％內。

在另一方面，提供了一種制備鋰離子電化學電池的方法，其包括提供在第一集電體上包括電化學活性金屬氧化物涂層的陰極、在第二集電體上包括電化學活性合金涂層的陽極以及電解質并且組裝所述陰極、陽極和電解質以形成鋰離子電化學電池，其中陰極和陽極二者的電極負荷均大于約4.5mAh/cm²每涂布側。

在本公開中：

“活性”和“電化學活性”指其中鋰可以通過電化學手段可逆地嵌入和脫出的材料；

“無定形”指缺乏晶體材料的長程原子有序特性的材料，其使用x-射線衍射確定；

“陽極”指在放電過程中發(fā)生電化學氧化的電極，在本文中也稱為負電極；

“電池組”指通常并聯(lián)地連接在一起的多個電化學電池；

“陰極”指在放電過程中發(fā)生電化學還原的電極，在本文中也稱為正電極；

“負荷”或“電極負荷”指可以被電極可逆地儲存的鋰的量并通常表示為毫安時(mAh)每單位面積；和

“體積容量”指每單位體積的活性材料或涂層所儲存的鋰的量。

所提供的鋰離子電化學電池具有高的可逆容量，其通過使用比石墨具有更高體積容量的電化學活性合金陽極材料提供。對于這樣的陽極，涂層厚度小于具有相同負荷的常規(guī)石墨碳電極。因此可以獲得顯著更高的陽極電極負荷。特別地，所提供的包括體積容量高于石墨的電化學活性合金陽極的電化學電池可以在大于4mAh/cm²每涂布側的負荷下運行。在同一電化學電池中使用電化學活性合金陽極材料和電化學活性金屬氧化物陰極材料可以使得電池具有高的可逆容量。此外，盡管它們具有高負荷，但這些電池中的陽極涂層可以穩(wěn)固到足以操作和組裝成鋰離子電化學電池。

以上發(fā)明內容并非意圖描述本發(fā)明每種實施方式的每一個公開實施例。附圖說明和隨后的具體實施方式更具體地對示例性實施例進行了舉例說明。

附圖說明

圖1為所示例的鋰離子電化學電池的電壓(V)-容量(mAh/g)曲線圖。

具體實施方式