[发明专利]用于锂电池的膨化石墨蠕虫保护的金属氟化物和金属氯化物阴极活性材料

说明书

一种锂电池阴极层，其含有阴极活性材料(金属氟化物或金属氯化物)的多个颗粒或涂层以及由互连的石墨薄片和薄片间的孔构成的膨化石墨蠕虫层，其中(a)所述石墨蠕虫选自膨化天然石墨、膨化人造石墨、膨化中间相碳微球、膨化焦炭、膨化中间相沥青、膨化碳或石墨纤维、或其组合；(b)所述阴极活性材料颗粒或涂层具有从0.4nm至10μm的尺寸，并且其量为基于组合的石墨蠕虫和所述阴极活性材料的总重量的按重量计从1％至99％；并且(c)所述孔中的一些容纳有所述阴极活性材料的颗粒或涂层。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年1月30日提交的美国专利申请号15/419，454的优先权，所述专利申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及可再充电锂电池领域，并且更具体地，涉及一种含有新的石墨蠕虫保护的阴极活性材料(金属氟化物和金属氯化物)组或被具有膨胀的石墨烯间空间的石墨容宿的金属氟化物和金属氯化物的阴极层，以及用于生产此阴极层的方法。

背景技术

历史上，现今最受欢迎的可再充电能量储存装置-锂离子电池-实际上是从使用锂(Li)金属作为阳极和Li插层化合物(例如MoS₂)作为阴极的可再充电“锂金属电池”发展而来的。Li金属由于它的轻重量(最轻的金属)、高电负性(相对于标准氢电极为-3.04V)、以及高理论容量(3,860mAh/g)而是理想的阳极材料。基于这些出色的特性，40年前提出了锂金属电池作为用于高能量密度应用的理想体系。

由于纯锂金属的一些安全性问题，石墨代替锂金属被实施为阳极活性材料，以生产目前的锂离子电池。过去的二十年已经见证了Li离子电池在能量密度、倍率性能和安全性方面的持续改进。然而，在Li离子电池中使用基于石墨的阳极具有若干个明显的缺点：低比容量(理论容量为372mAh/g，对比Li金属的3,860mAh/g)，长Li插层时间(例如Li进入和离开石墨和无机氧化物颗粒的低固态扩散系数)需要长的再充电时间(例如对于电动车辆电池为7小时)，不能给予高脉冲功率(功率密度＜＜1kW/kg)，以及需要使用预锂化阴极(例如锂钴氧化物，对比钴氧化物)，由此限制了可用阴极材料的选择。进一步地，这些常用的阴极活性材料具有相对低的比容量(典型地＜220mAh/g)。这些因素已造成了现今Li离子电池的两个主要缺点-低能量密度(典型地150-220Wh/kg_电芯)和低功率密度(典型地＜0.5kW/kg)。

尽管已经发现了若干种高容量阳极活性材料(例如，具有4,200mAh/g的理论容量的Si)，但是没有相应的高容量阴极材料可用。总的来说，三十多年来，电池科学家对锂离子电芯的低能量密度感到沮丧！目前Li离子电池中常用的阴极活性材料具有以下严重缺点：

(1)目前的阴极材料(例如磷酸铁锂和锂过渡金属氧化物)可以实现的实际容量已经被限制在150-250mAh/g的范围内，并且在大多数情况下，小于200mAh/g。

(2)这些阴极活性材料的生产通常必须经历长持续时间的高温烧结程序，这是冗长、耗能且难以控制的过程。

(3)锂进入和离开这些常用的阴极的插入和脱离依赖于Li在具有非常低的扩散系数(典型地10^-8至10^-14cm²/s)的固体颗粒中的极其慢的固态扩散(导致了非常低的功率密度(现今的锂离子电池的另一个长期存在的问题))。

(4)目前的阴极活性材料是电绝缘和热绝缘的，不能有效地和高效地传输电子和热量。低电导率意味着高内电阻和需要添加大量的导电添加剂，有效地降低了已经具有低容量的阴极中的电化学活性材料的比例。低热导率还意味着经受热失控的更高倾向，这是锂电池行业的主要安全性问题。

(5)最常用的阴极(包括锂过渡金属氧化物)含有高氧含量，所述氧含量可帮助加速热失控并且为电解质氧化提供氧气，增加爆炸或火灾危险。这是严重的问题，其阻碍了电动车辆的广泛实施。