[發明專利]用于可充電鋰電池的高鹽濃度電解質

在審

• 申請號: 201680019562.8
• 申請日: 2016-02-08
• 公開（公告）號: CN107408728A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 阿倫庫馬爾·蒂魯瓦娜瑪萊;黃在熙;李曉波;于里·瑪圖列維奇;胡啟超
• 申請（專利權）人: 固態能源系統公司
• 主分類號: H01M10/056
• 分類號: H01M10/056;H01M10/0564;H01M10/0566
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 王小衡,楊生平

相關申請的交叉引用

根據35U.S.C.119(e)的規定，本申請要求2015年2月9日提交的美國臨時專利申請62/113,637的權益，其全部內容通過引用明確并入這里。

這里引用的所有專利，專利申請和公開的全部內容通過引用并入這里。這些公開的全部內容通過引用并入本申請中，以更全面地描述截止這里所述發明日期之前本領域技術人員已知的現有技術。

技術領域

本公開大體上涉及充電電池，更具體地，涉及具有高能量密度的充電鋰電池，以及使用高鹽濃度電解質以獲得改善的循環壽命。

背景技術

鋰離子電池現在是便攜式電子設備(如手機和筆記本電腦)的首選電池，因為它們與其他可充電化學品相比具有更高的能量和功率。電動汽車和電網存儲應用也正在積極地追求它們。

商用鋰離子電池通常具有金屬氧化物基陰極、石墨基陽極和非水電解質。該電池通常具有約250Wh/kg的比能和約600Wh/L的能量密度。然而，目前的鋰離子電池技術無法滿足日益增長的能源密度要求。

鋰金屬是用于可充電電池的理想陽極材料，因為在所有金屬中，它提供了3860Ah/kg的最高的理論比容量(作為對比，石墨為370Ah/Kg)和最低的負電化勢(對比SHE，為-3.04V)。用金屬鋰代替鋰離子電池中的石墨陽極可以將電池的整體能量密度提高到1000Wh/L以上。

雖然在原電池中使用了金屬鋰，但是由于鋰結構在重復的充電/放電循環中，限制了循環壽命并且潛在地導致內部短路和其他嚴重的安全問題，所以對可充電電池的應用已經不成功。

當與致密的鋰金屬相比時，在電池充電期間，陽極處的電沉積鋰表現出具有高孔隙率和表面積的“樹枝狀”或“青苔狀”形態。這可能是由充電期間金屬-電解質界面處的不均勻電流分布造成的，所述不均勻電流分布是由于在接觸時在鋰金屬和電解質組分之間形成的“固體電解質界面(SEI)或鈍化”層的存在而引起的。由于鋰在有機溶劑中在熱力學上不穩定，所以形成SEI層對于抑制鋰和有機溶劑之間的連續化學反應至關重要。

陽極處的電沉積鋰的高表面積將進一步將新鮮的鋰暴露于電解質中，這將不可逆地產生更多的SEI組分。鋰晶粒表面的SEI形成防止鋰晶粒熔合在一起并在晶界處形成所需的金屬鋰-鋰接觸，這可能通過形成電隔離或“失效”的鋰而導致鋰損耗。

此外，隨著循環，重復的SEI形成消耗了鋰金屬和電解質，并導致鋰損耗和電解質的干燥。鋰損耗降低了庫侖效率和循環壽命，并且電解質損耗增加了電池的電池電阻。

在極端條件下，形成在陽極表面上的鋰枝晶可能穿透隔板并與陰極電接觸，從而導致電池短路。由枝晶引起的短路可能導致劇烈的電池故障，伴隨著火災和爆炸。

此外，快速充電期間的高電流密度極大地加速了鋰枝晶的形成，并加劇陽極和電解質之間的表面反應，導致鋰和電解質的快速消耗，從而降低電池的循環壽命和穩定性。

早前已經采取了多種方法來抑制鋰枝晶的形成和生長，例如，提高SEI的穩定性，開發具有強剪切模量的電解質，使用大表面積的鋰陽極來降低有效電流密度，修改電池充電模式，自愈式靜電保護機制等。

大多數減少枝晶的方法聚焦于通過優化諸如鋰鹽，溶劑和添加劑之類的電解質組分來改善鋰表面上的SEI層的穩定性和均勻性。然而，由于SEI層基本上由鋰和電解質之間的反應產物(其中大部分是各種鋰鹽的混合物)形成，所以很難用現有的電解質實現薄的、均勻的和穩定的鈍化層。

作為替代選擇，已經提出使用具有高剪切模量的電解質，例如鋰離子(Li+)導電聚合物、玻璃或陶瓷材料，來作為阻擋枝晶滲透的機械屏障。但是，由于室溫下的低導電性和高界面電阻，固態電解質的動力學性能有限，通常不適用于實際應用。

在充電過程(鋰沉積)中減小電流密度或改變充電方式(例如脈沖充電)是減緩鋰枝晶生長的有效方法。然而，對快速充電電池日益增長的需求可能使通過簡單地降低充電電流密度來改善電池的循環壽命變得不切實際。

降低電流密度的另一種方法是增加有效電極表面，例如，采用具有高表面積的鋰金屬粉末作為陽極。然而，這種方法可能顯著降低鋰金屬電池的能量密度。

發現在高壓下電沉積的鋰膜更致密和均勻。在充電過程中施加的壓力降低了沉積的鋰的分離并增加了鋰庫侖效率。然而，對電池施加外部壓力可能增加電池短路的可能性。

近來已經提出了幾種新穎的方法，例如自愈式靜電保護機制，但是這種機制似乎只對低電流范圍有效，使得它們不適用于實用電池。

發明內容