[發明專利]預鋰化的鋰離子電池單元

在審

• 申請號: 201710259884.6
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107394112A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 安德魯·羅伯特·德魯斯;默罕·卡魯卡
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M4/131
• 分類號: H01M4/131;H01M10/0525
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司11286
• 代理人: 王秀君,魯恭誠

技術領域

本公開涉及鋰離子電池單元以及制造該鋰離子電池單元的工藝。

背景技術

鋰離子電池呈現了可再充電電化學存儲技術。歸因于由鋰離子電池提供的電化學電位和理論容量，所述技術顯示了關于動力傳動系統的電氣化以及提供固定式存儲解決方案以能夠有效使用可再生能源的前景。鋰離子電池通過正極、負極以及連接并分開兩個電極的電解質的方法來產生電力。鋰離子經由電解質從一個電極遷移到另一個電極，同時相關的電子被集流體收集并可以用作電子設備的能量源。然而，在首次向電池施加充電電流時，在負極上形成固體電解質界面(SEI)層。首個充電循環通常遵循復雜的協議，以增強電池的性能、增加電池的循環和提高電池的使用壽命。SEI的形成對于電池的正確功能是必要的，但是SEI的形成與電池中的可循環鋰的損耗相關聯，這導致電池的容量被耗盡。

發明內容

根據一個實施例，公開了一種鋰離子電池單元。所述電池單元包括負極、正極以及正極上的犧牲含鋰材料。犧牲含鋰材料被構造為響應于將充電電流首次施加到所述電池單元而分解。所述分解釋放鋰離子以借助于鋰離子在負極的與正極相鄰的表面上的反應促進固體電解質界面的形成。犧牲含鋰材料可以布置在正極與正極集流體之間。可選擇地，犧牲含鋰材料可以布置在正極與隔膜之間。犧牲含鋰材料可以是被構造為響應于首次施加充電電流而分解成氣體和鋰離子的鋰被氧化的化合物(oxidized lithium compound)。鋰被氧化的化合物可以是過氧化鋰。電池單元還可以包括催化劑，所述催化劑被構造為初始化犧牲含鋰材料的分解。催化劑可以是四氧化鈷。犧牲含鋰材料的量可以對應于在首次電池單元充電循環期間被固體電解質界面的形成所消耗的鋰的理論量。

在可選擇的實施例中，公開了另一種鋰離子電池單元。所述電池單元包括負極以及包含犧牲含鋰材料的正極。所述犧牲含鋰材料被構造為響應于向所述電池單元首次施加充電電流而分解。所述分解釋放鋰離子以經由鋰離子在負極的與正極相鄰的表面上的反應促進形成固體電解質界面。犧牲含鋰材料可以是被構造為響應于首次施加充電電流而分解成氣體和鋰離子的鋰被氧化的化合物。正極可以包括空腔，所述空腔中的至少一些可以包含犧牲含鋰材料。電池單元還可以包括催化劑，所述催化劑被構造為初始化犧牲含鋰材料的分解。催化劑可以是四氧化鈷。犧牲含鋰材料的量可以對應于在首次電池單元充電循環期間被固體電解質界面的形成所消耗的鋰的理論量。

在又一個實施例中，公開了一種鋰離子電池單元。所述電池單元包括負極以及具有用犧牲含鋰材料浸漬的多孔結構的正極。所述犧牲含鋰材料可以被構造為響應于向所述電池單元首次施加充電電流而分解以釋放鋰離子，以經由鋰離子在負極的與正極相鄰的表面上的反應促進固體電解質界面的形成。犧牲含鋰材料的量可以對應于在首次電池單元充電循環期間被固體電解質界面的形成所消耗的鋰的理論量。犧牲含鋰材料可以是被構造為響應于首次施加充電電流而分解成氣體和鋰離子的鋰被氧化的化合物。鋰被氧化的化合物可以是過氧化鋰。犧牲含鋰材料的分解可以增大正極的多孔結構內的孔隙的體積。電池單元還可以包括催化劑以初始化犧牲含鋰材料的分解。

附圖說明

圖1描繪了根據一個或更多個實施例的在充電和放電期間通過電解質的鋰離子遷移以及鋰離子電池單元內的嵌入原理的示意圖；

圖2顯示出在負極上具有固體電解質界面的示例性鋰離子電池單元的示意圖；

圖3A描繪了包括位于正極與集流體之間的犧牲含鋰材料的示例性鋰離子電池單元的示意圖；

圖3B描繪了包括與正極相鄰的犧牲含鋰材料的示例性鋰離子電池單元的示意圖；

圖4A示出了包括活性材料、存儲材料和犧牲含鋰材料的示例性多孔正極材料；

圖4B示出了沿圖4A的線4B-4B截取的剖視圖，所述剖視圖顯示出孔隙內的犧牲含鋰材料被封閉在正極材料內；

圖4C示出了沿圖4A的線4C-4C截取的剖視圖，所述剖視圖顯示出封閉在正極材料內的孔隙不含犧牲含鋰材料；

圖5描繪了示出針對不同首次循環損耗百分比實現最終孔隙率所需的電極壓實密度的多個曲線；

圖6顯示了示出在首次循環損耗固定在20％的情況下改變活性材料與犧牲含鋰材料的比容量的比的影響的若干曲線；

圖7是示出不含犧牲含鋰材料的電極A和含有作為犧牲含鋰材料的Li₂O₂的電極B的電壓分布的曲線圖；