[發明專利]改善鋰離子電池安全性的電極設計

在審

• 申請號: 201810876190.1
• 申請日: 2018-08-03
• 公開（公告）號: CN109390583A
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 凡卡塔拉瑪尼·阿南丹;安德魯·羅伯特·德魯斯
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 董婷;尹淑梅

本公開涉及改善鋰離子電池安全性的電極設計。鋰離子電池包括：陰極；陽極，具有主要活性物質、導電碳、粘合劑和儲備材料；以及分隔件，位于陰極與陽極之間。儲備材料具有處于鋰反應電位與主要活性物質反應電位之間的反應電位。儲備材料被構造為響應于主要活性物質被完全嵌入而在所述反應電位下嵌入鋰，以抑制在陽極上的鋰鍍覆。

技術領域

本公開涉及用于鋰離子電池的電極，具體地，涉及用于改善電極安全性的儲備材料。

背景技術

鋰離子(Li離子)電池或單元已成為從智能電話到電動車輛的大多數裝置中的構成整體所必須的部分。雖然它們提供高的能量和功率密度，但是由于存在會在某些極端條件下導致起火的易燃液體電解質而存在潛在的安全風險。

傳統的Li離子電池通常包括正電極(陰極)、負電極(陽極)、分隔件和電解質。集流體通常附著到每個電極，以便從電池中提取電流。在傳統的Li離子電池中，陽極通常包括具有大約375mAh/g的容量的石墨作為主要活性物質。石墨具有低放電電壓(或反應電位)，這提供了石墨自身與陰極之間大的電壓差，因此石墨具有相對高的功率和能量密度。在包含石墨陽極的傳統鋰離子電池的充電期間，鋰離子以相對于鋰(和鋰離子)的低電位(大約0.1V)嵌入到石墨結構中。這個過程通常會持續到來自陰極的所有可用鋰離子嵌入到石墨中并且單元達到100％荷電狀態(SOC)(或被完全嵌入)，如圖1中所示。

在適當設計的單元中，特意將陽極容量設計為超過由陰極提供的可用鋰，使得所有鋰可以被完全容納在石墨中。然而，在低溫充電或高速充電期間，傳統單元中陽極的電位會降至0.1V以下，甚至會降至0V以下，導致在陽極的表面上鍍覆鋰，如圖1中所示。鋰鍍覆的主要安全風險之一是通過形成刺穿分隔件并最終達到陰極的鋰細絲(枝晶)導致的電極之間的內部短路。雖然鋰鍍覆可能發生在陽極結構的任何部分，但是更易于發生在分隔件與陽極之間的界面處，尤其是發生在陽極或分隔件的尖銳邊緣或表面上的突起處。由于不良的單元設計，在陽極表面可能發生形成枝晶的鋰鍍覆，尤其是當單元在低溫和高充電速率下充電時。

除了低溫和高充電速率條件下的安全風險之外，石墨的容量的降低還會導致其變得不足以容納所有的循環鋰。這樣，鋰鍍覆還會導致單元中的容量損失和阻抗增大。

發明內容

根據實施例，公開了一種鋰離子電池。鋰離子電池包括：陰極；陽極，具有主要活性物質、導電碳、粘合劑和儲備材料；以及分隔件，位于陰極與陽極之間。儲備材料具有處于鋰反應電位與主要活性物質反應電位之間的反應電位。儲備材料被構造為響應于主要活性物質被完全嵌入而在所述反應電位下嵌入鋰，以抑制在陽極上的鋰鍍覆。

根據一個或更多個實施例，儲備材料的反應電位可以在大約0伏特與0.1伏特之間。儲備材料的反應電位可以在大約0.005伏特與0.1伏特之間。儲備材料可以為SrO、Mn₄N、K₂SO₄、CaCl₂、CaF₂、SrF₂、Ag、Mg或Zn。在一些實施例中，儲備材料可以不可逆地嵌入或脫嵌鋰。在其他實施例中，儲備材料可以可逆地嵌入或脫嵌鋰。在一個或更多個實施例中，儲備材料可以與主要活性物質、導電碳和粘合劑混合。儲備材料可以在陽極與分隔件之間在陽極的表面上形成層。

根據另一實施例，公開了一種鋰離子電池。鋰離子電池包括：陰極；陽極，具有主要活性物質、導電碳、粘合劑和儲備材料；以及分隔件，位于陰極與陽極之間。陽極的儲備材料具有在大約0伏特與0.1伏特之間的與鋰的反應電位。儲備材料被構造為在所述反應電位下嵌入鋰，以抑制在陽極上的鋰鍍覆。