[發明專利]用于防止鋰離子電池過放電的電池單元設計

在審

• 申請號: 201910835509.0
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN110890587A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 文卡塔拉馬尼·阿南丹
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M10/0525
• 分類號: H01M10/0525;H01M10/058;H01M2/34
• 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

本公開提供了“用于防止鋰離子電池過放電的電池單元設計”。根據一個實施例，一種鋰離子電池包括陰極、陽極、在所述陰極和所述陽極之間的隔板、在所述陽極上的集電器以及在所述陽極和所述集電器之間的電子導電材料層。所述電子導電材料層被配置為響應于所述電池的電勢越過所述電子導電材料的相變電勢，從導體相變為絕緣體以防止金屬離子從所述集電器溶解到所述陽極中。

技術領域

本公開涉及鋰離子電池，并且更特別地涉及保護電池單元免于過放電的部件。

背景技術

傳統的鋰離子電池通常會遇到濫用問題，這可導致容量衰退、循環壽命較低和短路(其可導致熱失控)。過放電是鋰離子電池中常見的濫用問題之一。當電池過放電時，在石墨陽極處的電勢會急劇增加，并且達到約3.56V對Li/Li+的穩定水平，如圖1A和圖1B中所示，并且固體-電解質界面分解，如圖2中所示。這個穩定水平表示來自陽極集電器(currentcollector)的銅可發生氧化(腐蝕)所處的電勢。銅的氧化可導致銅離子溶解到電解質中。在圖2中示出了在過放電期間在各個狀態(a)至(f)下的銅離子的氧化。在圖2中，傳統的鋰離子電池100或電池單元包括陰極110、陽極120以及這兩者之間的隔板130。陽極120包括活性材料和電解質，其在電池單元操作期間形成固體-電解質界面層150。傳統電池100還包括銅陽極集電器140和在陰極110上的陰極集電器145。如圖2中所示，在固體-電解質界面層150分解之后，銅離子160開始溶解到電解質中并行進通過隔板，并且在陰極表面上形成沉積物165。隨著過放電狀態的進行，沉積的銅離子165可生長，從而在電池單元中形成內部短路。

發明內容

根據一個實施例，一種鋰離子電池包括陰極、陽極、在所述陰極和所述陽極之間的隔板、在所述陽極上的集電器以及在所述陽極和所述集電器之間的鋰化鈦酸鋰(LTO)層，所述鋰化LTO層被配置為響應于所述電池的電勢越過所述鋰化LTO的相變電勢，脫鋰以從導體相變為絕緣體以防止金屬離子從所述集電器溶解到所述陽極中。

根據一個或多個實施例，所述相變電勢可以是1.5V。在至少一個實施例中，所述陽極集電器可以是銅集電器。在某些實施例中，所述層可以在低于所述相變電勢的電勢下具有2.4S/cm的導電率。在一些實施例中，所述層可以在高于所述相變電勢的電勢下具有小于10^-6S/cm的導電率。在一個或多個實施例中，所述鋰化LTO層可以包括粘合劑。

根據一個實施例，一種鋰離子電池包括陰極、陽極、在所述陰極和所述陽極之間的隔板、在所述陽極上的集電器以及在所述陽極和所述集電器之間的電子導電材料層。所述電子導電材料層被配置為響應于所述電池的電勢越過所述電子導電材料的相變電勢，從導體相變為絕緣體以防止金屬離子從所述集電器溶解到所述陽極中。

根據一個或多個實施例，所述相變電勢可以是1.5V至3.5V。在至少一個實施例中，所述電子導電材料層可以是包括聚合物組分的復合層。在一個或多個實施例中，所述電子導電材料層可以包括鋰化鈦酸鋰(LTO)材料。根據至少一個實施例，所述電子導電材料層可以在1.5V的電勢下脫嵌以開始相變。在一些實施例中，所述電子導電材料層可以在低于所述相變電勢的電勢下具有至少10^-2S/cm的導電率。在至少一個實施例中，所述陽極集電器可以是銅集電器。在某些實施例中，所述電子導電材料層可以包括粘合劑。根據至少一個實施例，在所述相變電勢以上，所述電子導電材料層可以具有小于10^-6S/cm的導電率。

根據一個實施例，一種操作鋰離子電池的方法包括提供鋰離子電池，所述鋰離子電池包括陰極、陽極、在所述陰極和所述陽極之間的隔板、陽極集電器以及在所述陽極集電器和所述陽極之間的電子導電層；以及在放電電勢下給所述鋰離子電池放電。響應于所述放電電勢超過相變電勢，所述電子導電層經由脫鋰從導體相變為絕緣體，以防止金屬離子從所述集電器溶解到所述陽極中。