[发明专利]改善锂离子电池安全性的电极设计

说明书

本公开涉及改善锂离子电池安全性的电极设计。锂离子电池包括：阴极；阳极，具有主要活性物质、导电碳、粘合剂和储备材料；以及分隔件，位于阴极与阳极之间。储备材料具有处于锂反应电位与主要活性物质反应电位之间的反应电位。储备材料被构造为响应于主要活性物质被完全嵌入而在所述反应电位下嵌入锂，以抑制在阳极上的锂镀覆。

技术领域

本公开涉及用于锂离子电池的电极，具体地，涉及用于改善电极安全性的储备材料。

背景技术

锂离子(Li离子)电池或单元已成为从智能电话到电动车辆的大多数装置中的构成整体所必须的部分。虽然它们提供高的能量和功率密度，但是由于存在会在某些极端条件下导致起火的易燃液体电解质而存在潜在的安全风险。

传统的Li离子电池通常包括正电极(阴极)、负电极(阳极)、分隔件和电解质。集流体通常附着到每个电极，以便从电池中提取电流。在传统的Li离子电池中，阳极通常包括具有大约375mAh/g的容量的石墨作为主要活性物质。石墨具有低放电电压(或反应电位)，这提供了石墨自身与阴极之间大的电压差，因此石墨具有相对高的功率和能量密度。在包含石墨阳极的传统锂离子电池的充电期间，锂离子以相对于锂(和锂离子)的低电位(大约0.1V)嵌入到石墨结构中。这个过程通常会持续到来自阴极的所有可用锂离子嵌入到石墨中并且单元达到100％荷电状态(SOC)(或被完全嵌入)，如图1中所示。

在适当设计的单元中，特意将阳极容量设计为超过由阴极提供的可用锂，使得所有锂可以被完全容纳在石墨中。然而，在低温充电或高速充电期间，传统单元中阳极的电位会降至0.1V以下，甚至会降至0V以下，导致在阳极的表面上镀覆锂，如图1中所示。锂镀覆的主要安全风险之一是通过形成刺穿分隔件并最终达到阴极的锂细丝(枝晶)导致的电极之间的内部短路。虽然锂镀覆可能发生在阳极结构的任何部分，但是更易于发生在分隔件与阳极之间的界面处，尤其是发生在阳极或分隔件的尖锐边缘或表面上的突起处。由于不良的单元设计，在阳极表面可能发生形成枝晶的锂镀覆，尤其是当单元在低温和高充电速率下充电时。

除了低温和高充电速率条件下的安全风险之外，石墨的容量的降低还会导致其变得不足以容纳所有的循环锂。这样，锂镀覆还会导致单元中的容量损失和阻抗增大。

发明内容

根据实施例，公开了一种锂离子电池。锂离子电池包括：阴极；阳极，具有主要活性物质、导电碳、粘合剂和储备材料；以及分隔件，位于阴极与阳极之间。储备材料具有处于锂反应电位与主要活性物质反应电位之间的反应电位。储备材料被构造为响应于主要活性物质被完全嵌入而在所述反应电位下嵌入锂，以抑制在阳极上的锂镀覆。

根据一个或更多个实施例，储备材料的反应电位可以在大约0伏特与0.1伏特之间。储备材料的反应电位可以在大约0.005伏特与0.1伏特之间。储备材料可以为SrO、Mn₄N、K₂SO₄、CaCl₂、CaF₂、SrF₂、Ag、Mg或Zn。在一些实施例中，储备材料可以不可逆地嵌入或脱嵌锂。在其他实施例中，储备材料可以可逆地嵌入或脱嵌锂。在一个或更多个实施例中，储备材料可以与主要活性物质、导电碳和粘合剂混合。储备材料可以在阳极与分隔件之间在阳极的表面上形成层。

根据另一实施例，公开了一种锂离子电池。锂离子电池包括：阴极；阳极，具有主要活性物质、导电碳、粘合剂和储备材料；以及分隔件，位于阴极与阳极之间。阳极的储备材料具有在大约0伏特与0.1伏特之间的与锂的反应电位。储备材料被构造为在所述反应电位下嵌入锂，以抑制在阳极上的锂镀覆。