[发明专利]可再充电蓄电池

说明书

公开了采用特定电解质溶液和最小电池面压力的蓄电池芯组和用于使枝晶生长最小化并增加金属蓄电池和金属离子蓄电池的循环寿命的方法。

相关申请数据

本申请要求2020年12月15日提交的并且标题为“Rechargeable Battery”的美国临时专利申请序号63/125,821的优先权的权益，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。

公开内容领域

本公开内容总体上涉及可再充电蓄电池(rechargeable battery)。特别地，本公开内容涉及包括多于一个电池(cell)的蓄电池芯组(battery core pack)。

背景

锂金属蓄电池(lithium metal battery cell)的一般结构包括结合到铜集电器的锂金属阳极和结合到铝集电器的金属氧化物阴极。在阳极和阴极之间是隔板(separator)，该隔板允许锂金属离子来回移动。在阴极和阳极之间可以使用多种不同的电解质溶液。当这种类型的蓄电池放电时，锂金属离子从阳极被剥离，并通过隔板行进到阴极。在充电期间，离子流是反向的，并且金属离子被重新镀覆回到阳极上。然而，如本领域中熟知的，Li金属的重新镀覆通常不均匀，导致在几次放电/充电循环之后形成从阳极表面延伸出来的枝晶。如果不加以控制，则枝晶生长可能刺穿隔板，并在相对较少的循环之后导致电池短路。当发生这种情况时，蓄电池大大劣化。

从阳极镀覆和剥离金属离子还导致单独的电池收缩，并且然后随着金属离子被剥离并且然后被重新镀覆而膨胀。其他蓄电池类型例如使用石墨或Si石墨阳极的锂离子蓄电池，也基于离子剥离和重新镀覆起作用，并且因此可能经历显著的体积膨胀，并在重新镀覆时经历有问题的枝晶生长。

已经进行了许多尝试来减轻与枝晶生长相关联的问题。例如，标题为“ThermalManagement System and Method for a Solid-State Energy Storing Device”的美国专利第6,087,036号公开了采用锂金属阳极和钒氧化物阴极以及非特定锂聚合物电解质的电池结构。根据该公开内容，对电池施加在5psi-100psi的范围内的恒定或变化的压缩力连同主动冷却可以通过约束和冷却电池结构来提供改进的结果。作为另一个实例，标题为“Electrolytes with Lithium Difluoro(oxalato)borate and LithiumTetrafluoroborate Salts for Lithium Metal and Anode-Free Cells”的美国专利公开第2020/0220220A1号公开了实验的结果，其中使用具有电解质的无阳极电池声称增加了循环寿命，电解质具有二氟(草酸)硼酸锂(LiDFOB)和四氟硼酸锂(LiBF₄)的盐组合以及碳酸二乙酯(DEC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂组合。提到了变化的电池压力，然而，实验结果主要是在100psi或更低的压力下获得的。此外，标题为“Electrochemical Cell Stacksand Associated Components”的美国专利公开第2021/0151815A1号公开了这样的电池，该电池包括在从至少10kgf/cm²(约140psi)和至至少40kgf/cm²(约570psi)的范围内的压力下的绝热层和导热层。该公开内容声称改进的结果，但没有提供关于可以用于实现所声称的改进的电解质盐或溶剂的细节。

因此，尽管进行了许多改进尝试，如上面引用的参考文献所证明的，但特别是在锂金属电池中用于控制枝晶生长的当前技术仍然不太令人满意。需要新的解决方案来延长蓄电池循环寿命。

公开内容概述