[发明专利]包括基于含氟聚合物的固体电解质界面层的电极以及利用其的电池和车辆

说明书

一种电极包括具有固体电解质界面(SEI)层的锂基主体材料，所述固体电解质界面(SEI)层包括包含含氟聚合物的聚合物基质以及嵌入基质内的LiF。SEI层包括约5重量％至约75重量％的LiF。LiF可以作为平均直径为约5‑500nm的纳米晶体存在于聚合物基质内。一种或多种含氟聚合物可包括和/或是氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基烷烃、偏二氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚与四氟乙烯的共聚物中的一种或多种的脱氟产物。一种或多种脱氟含氟聚合物的‑CF₃官能团可以是SEI层的至少约3重量％。锂基主体材料可包括至少50重量％的锂。锂基主体材料可包括锂‑铝合金、锂‑硅合金、锂‑锡合金、锂‑锌合金或锂‑锗合金。电池单元和电动车辆可以使用这种电极。

引言

锂离子电池描述了一类可充电电池，其中锂离子在负电极(即阳极)和正电极(即阴极)之间移动。液体、固体和聚合物电解质可以促进锂离子在阳极和阴极之间的移动。锂离子电池由于其高能量密度和经历连续充电和放电循环的能力而在国防、汽车和航空航天应用中日益普及。Li金属电极的大体积变化和高反应性会导致“苔藓”锂结构和/或锂枝晶生长，这会降低这种锂离子电池的循环效率和应用。

发明内容

提供一种电极，包括具有多个面的集电器，施加到多个集电器面的锂基主体材料，形成在锂基主体材料的多个外表面上的固体电解质界面(SEI)层。SEI层包括包含一种或多种含氟聚合物的聚合物基质，以及嵌入聚合物基质内的LiF。SEI层包括约5重量％至约75重量％的LiF。SEI层可包括约30重量％至约50重量％的LiF。LiF可以作为纳米晶体存在于聚合物基质内。LiF纳米晶体可具有约5nm至约500nm的平均直径。可以通过对一种或多种含氟聚合物脱氟来形成LiF。一种或多种含氟聚合物可包括和/或是氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、偏二氟乙烯(THV)和全氟甲基乙烯基醚与四氟乙烯(MFA)的共聚物中的一种或多种的脱氟产物。一种或多种含氟聚合物可包括和/或是一种或多种含氟聚合物的脱氟产物，所述含氟聚合物选自由氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、偏二氟乙烯(THV)、以及全氟甲基乙烯基醚和四氟乙烯(MFA)的共聚物构成的群组。一种或多种含氟聚合物可包括一种或多种氟化单体，其中氟化单体包括六氟丙烯、四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、全氟醚和偏二氟乙烯。一种或多种脱氟含氟聚合物的-CF₃官能团可占SEI层的约3重量％至约10重量％。一种或多种脱氟含氟聚合物的-CF₃官能团可以是SEI层的至少约3重量％。锂基主体材料可以是纯锂。锂基主体材料可包括至少约50重量％的锂。锂基主体材料可包括锂-铝合金、锂-硅合金、锂-锡合金、锂-锌合金或锂-锗合金。

还提供了一种电池单元，包括电解质、设置在电解质内的阳极和设置在电解质内的阴极。阴极包括集电器、施加到集电器的锂基主体材料、以及形成在锂基主体材料的多个外表面上的固体电解质界面(SEI)层。SEI层包括包含一种或多种含氟聚合物聚合物基质以及嵌入聚合物基质内的LiF。SEI层可包括约5重量％至约75重量％的LiF。电池单元可具有高达约4mAh/平方厘米的锂基主体材料的容量，并且SEI层可具有约200nm至约5μm的厚度。电池单元可具有每平方厘米锂基主体材料高达约2mAh的容量，并且SEI层可具有约100nm至约500nm的厚度。电池单元可具有高达约1mAh/平方厘米的锂基主体材料的容量，并且SEI层可具有约50nm至约100nm的厚度。一种或多种脱氟含氟聚合物的-CF₃官能团可包括SEI层的至少约3重量％。

还提供了一种电动车辆，包括配置为经由一个或多个车轮推进车辆的驱动单元，配置为向驱动单元提供能量并且包括多个电池单元的电池组。所述多个电池单元中的至少一个可包括：阳极，具有施加于集电器的锂基主体材料；以及固体电解质界面(SEI)层，形成在所述锂基主体材料上。SEI层可包括包含一种或多种含氟聚合物的聚合物基质，以及嵌入聚合物基质内的LiF。SEI层可包括约5重量％至约75重量％的LiF，并且一种或多种脱氟含氟聚合物的-CF₃官能团可为SEI层的至少约3重量％。