[发明专利]高容量合金阳极和包含其的锂离子电化学电池

说明书

技术领域

本发明涉及高密度合金阳极和包含此类阳极的锂离子电化学电池。

背景技术

锂离子电化学电池包括阴极、阳极、隔板和通常封装在电池外壳或容器中的电解质。阴极和阳极可包括金属集电体及电极涂层-通常沉积在集电体的两侧上。电极涂层包含电化学活性材料或下述材料，该材料在电池放电时可以以电化学方式与锂反应产生电化学能而在电池充电时储存电化学能。

由于它们具有在相对小的体积中储存大量能量的能力，故目前，对于锂离子电化学电池在电子器件和运载工具中的使用，人们有着浓厚的兴趣。但常规锂离子电化学电池可以提供的能量的量有限。

发明内容

锂离子电化学电池的能量容量的一个限制因素为每单位面积电极的容量。该容量常被称为电极负荷。一般而言，增大电极负荷将使得电池能量增大。这是因为，与使用低负荷的电池相比，在具有高负荷的锂离子电化学电池中，较多的体积被活性材料所占据而较少的体积被非活性电池部件(例如，隔板和集电体)所占据。对于给定的电极材料，可以通过在集电体上涂布更多的电极材料来增大电极负荷，这可增大涂层厚度。存在电极材料的最大量或最大厚度或者电化学电池中每个电极上可以使用的电极材料的最大允许值。高电极负荷，例如高于电极的最大允许值的那些，可使得电极令人棘手地厚，以致电极可能太易碎以致不能操作或者太厚以致不能卷绕进圆柱形电池设计的壳中。此外，电极涂层的总厚度也可能大到导致锂离子行进的扩散路径长度过度并可严重减小电池倍率容量。

出于以上原因，典型的锂离子电化学电池中的电极负荷局限于约4mAh/cm²每涂布侧。需要具有高于此极限的负荷的电极。也需要锂离子电化学电池(其可具有固定的体积)在其所供能的装置的能量需求增大时具有更高的能量容量。

在一个方面，提供了一种锂离子电化学电池，其包括阴极、电解质和阳极，所述阴极在第一集电体上包括电化学活性金属氧化物涂层，所述阳极在第二集电体上包含电化学活性合金涂层，其中阳极和阴极二者的电极负荷均大于约4.5mAh/cm²每涂布侧。电化学活性金属氧化物涂层可以包含钴、锰、镍或者它们的组合。电化学活性阳极涂层可以包含粘结剂如聚丙烯酸锂。电化学活性金属氧化物涂层的涂层重量可以大于约30mg/cm²，电化学活性阳极涂层的涂层重量可以大于约15mg/cm²。阴极的首次充电容量可以在阳极的首次充电容量的15％内或甚至10％内。

在另一方面，提供了一种制备锂离子电化学电池的方法，其包括提供在第一集电体上包括电化学活性金属氧化物涂层的阴极、在第二集电体上包括电化学活性合金涂层的阳极以及电解质并且组装所述阴极、阳极和电解质以形成锂离子电化学电池，其中阴极和阳极二者的电极负荷均大于约4.5mAh/cm²每涂布侧。

在本公开中：

“活性”和“电化学活性”指其中锂可以通过电化学手段可逆地嵌入和脱出的材料；

“无定形”指缺乏晶体材料的长程原子有序特性的材料，其使用x-射线衍射确定；

“阳极”指在放电过程中发生电化学氧化的电极，在本文中也称为负电极；

“电池组”指通常并联地连接在一起的多个电化学电池；

“阴极”指在放电过程中发生电化学还原的电极，在本文中也称为正电极；

“负荷”或“电极负荷”指可以被电极可逆地储存的锂的量并通常表示为毫安时(mAh)每单位面积；和

“体积容量”指每单位体积的活性材料或涂层所储存的锂的量。

所提供的锂离子电化学电池具有高的可逆容量，其通过使用比石墨具有更高体积容量的电化学活性合金阳极材料提供。对于这样的阳极，涂层厚度小于具有相同负荷的常规石墨碳电极。因此可以获得显著更高的阳极电极负荷。特别地，所提供的包括体积容量高于石墨的电化学活性合金阳极的电化学电池可以在大于4mAh/cm²每涂布侧的负荷下运行。在同一电化学电池中使用电化学活性合金阳极材料和电化学活性金属氧化物阴极材料可以使得电池具有高的可逆容量。此外，尽管它们具有高负荷，但这些电池中的阳极涂层可以稳固到足以操作和组装成锂离子电化学电池。

以上发明内容并非意图描述本发明每种实施方式的每一个公开实施例。附图说明和随后的具体实施方式更具体地对示例性实施例进行了举例说明。

附图说明

图1为所示例的锂离子电化学电池的电压(V)-容量(mAh/g)曲线图。

具体实施方式