[发明专利]阻止持续自热的改进的锂离子电池

说明书

发明背景

本发明涉及锂离子电池。

基于锂离子电池的可充电电池是吸引人的，因为它们具有固有的高容量、高能量，并且可以在有用的温度范围上操作。这种电池的特征是具有阴极、阳极以及液态或固态有机电解质。然而，这种电池的一个问题是在高温下的电池自热趋势。当激励电池组分内的放热反应时便产生自热。当电池内部的产生热速率超过从电池表面到周围区域中的散热速率时便发生持续自热。持续自热可以导致热击穿，造成泄漏、燃烧，以及在某些情况下造成爆炸。

当电池的容量和能量增加时，产生热的速率增加。相应地，当电池行业追寻使锂离子电池的容量和能量成为最大时，持续自热的问题变得更为重要。

持续自热问题还限制电池的最终尺寸。这是因为表面面积随电池尺寸的平方增加，而容量随电池尺寸的立方增加。相应地，在某个尺寸，在电池内产生热的速率超过从电池表面散热的速率，就导致在高温下的持续自热。

发明概要

通常，本发明描述锂离子电池的特征，所述锂离子电池包括：(a)一个阴极；(b)一个薄膜形式的阳极；以及(c)分开阳极和阴极的电解质。可以使用固态或液态两种电解质。电池具有至少600毫安-小时的容量，至少100瓦-小时/千克的比能，以及至少250瓦-小时/升的容积能量。当被锂化时，在最高达约100℃的温度，最好在最高达约150℃的温度，而更好的是在最高达170℃的温度下，阳极不展现持续自热，正如使用下文描述的加速速率量热法所确定。甚至更好的是在最高达约200℃的温度下，阳极还不展现持续自热，较佳地，阳极包括电化学活泼元素金属。

“薄膜阳极”是指无诸如聚合物黏合剂之类的黏合剂的，连续薄膜形式的阳极。相应地，这种阳极可以与通过把电化学活泼粉末与诸如石墨或碳黑之类的导电稀释物以及黏合剂进行混合而配制的合成阳极区分。

“电化学活泼元素金属”是指一种元素金属，在锂电池中充电和放电期间一般碰到的条件下，这种金属与锂进行化学反应。电化学不活泼元素金属是在这些条件下不与锂反应的元素金属。

“元素金属”是指金属和诸如硅和锗的类金属两者。

“液态电解质”包括液体和液体-膨胀的凝胶体两者。

较佳电化学活泼元素金属的例子包括铝、硅、锡、锑、铅、锗、镁、锌、镉、铋和铟。阳极可以进一步包括一种或多种电化学不活泼元素金属。例子包括钼、铌、钨、钽、铁和铜。锡和钼的一种组合描述一个有用的阳极特征。其它有用的阳极包括硅，单独或与铝或锡组合。

阳极具有至少100毫安-小时/克(最好至少300毫安-小时/克)的比容量以及至少600毫安-小时/立方厘米的容积容量。可以使用数种不同的阳极组成。

根据一个实施例，阳极基本上由多种电化学活泼元素金属组成，并具有以混合物形式包括这些元素金属的微结构，基本上没有测量大于约1000埃的畴。“畴”是基本上包括单个电化学活泼元素金属的一个区域。畴可以是结晶状的(即，它引起结晶状材料的可辨别的电子或x-射线绕射图案特征)或非结晶状的。畴的尺寸是指畴的最长尺寸。Turner在1998年7月10日提出的题为“电极材料和包括该电极材料的混合物”的美国专利申请09/113,385中描述了这种电极的例子，该专利已转让给本发明的受让人，并在此完整引用作为参考。

第二种有用的阳极组成是这样一种组成，其中，阳极包括(a)电化学活泼元素金属以及(b)电化学不活泼元素金属。通过使结合这种阳极的电池经过充电-放电的一个完整的周期之后出现的结晶区来表示阳极的微结构的特征。

通过结晶状材料的可辨别的x-射线绕射图案表示特征的这些结晶状区域在经过充电-放电的一个完整周期的循环之后最好具有至少一种不大于约500埃的尺寸，并在总数为10个周期之后尺寸基本上不增加。此外，这些结晶状区域最好被包括电化学活泼元素金属和电化学不活泼元素金属的区域隔开，其中电化学活泼元素金属和电化学不活泼元素金属的相对比例通过混合物的厚度方向而变化(即与在其上放置薄膜的衬底的方向相垂直)。这些较后面的区域不展现结晶状材料的电子绕射图案特征。它们可能在循环之前、循环之后或循环之前和之后出现。Turner等人在1998年3月26日提出的题为“电极混合物”的美国专利申请09/048,407中描述了这种电极的例子，该专利已转让给本发明的同一受让人，并在此完整引用作为参考。

最好电池还展现优良的高温特性。特别，在80℃经受一个完整的充电-放电周期之后，容量的降低不大于每周期2％，最好不大于每周期1％，甚至更好是不大于每周期0.5％。