CN103931038A - 用于便携式电子设备的高电压锂聚合物电池 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的实施例提供了一种锂聚合物电池单元。所述锂聚合物电池单元包括阳极和阴极，所述阴极包含掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子。所述锂聚合物电池单元还包括封装所述阳极和所述阴极的袋，其中所述袋为柔性的。所述阴极可允许所述锂聚合物电池单元的充电电压大于4.25V。

Description

用于便携式电子设备的高电压锂聚合物电池
背景技术
技术领域
本发明实施例涉及用于便携式电子设备的电池。更具体地讲，本发明实施例涉及用于便携式电子设备的高电压锂聚合物电池的设计和制造。
相关领域
可再充电电池目前用于为多种便携式电子设备提供电力，所述便携式电子设备包括膝上型计算机、平板型计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式媒体播放器和/或数字相机。最常用类型的可再充电电池为锂电池，其可包括锂离子电池或锂聚合物电池。
锂聚合物电池通常包括被封装在柔性袋中的单元。此类袋通常重量轻且制造成本廉价。此外，这些袋可以定制成各种单元尺寸，从而允许锂聚合物电池用于空间有限的便携式电子设备(诸如移动电话、膝上型计算机和/或数字相机)中。例如，通过将轧制电极和电解质封装在铝层合袋中，锂聚合物电池单元可以实现90％-95％的封装效率。然后，可以将多个袋并排放置在便携式电子设备内，并且串联地和/或并联地电耦合，以形成用于便携式电子设备的电池。
在操作过程中，锂聚合物电池的容量可由于内阻的增加、电极和/或电解质降解、过热和/或异常使用而随时间推移逐渐变小。例如，重复的充电-放电循环和/或老化可引起电解质的氧化和/或电池内阴极和阳极材料的降解，这继而可引起电池容量逐渐减小。当电池继续老化和降解时，容量的减小速率可增加，特别是当电池在高充电电压下连续充电和/或在高温下操作时更是如此。
随时间推移继续使用锂聚合物电池还可在电池的非刚性单元中产生溶胀，并且最终致使电池超出便携式电子设备的指定的最大物理尺寸。此外，常规的电池监测机制可不包括用以管理电池溶胀的功能性。因而，设备的用户可能在溶胀导致设备物理损坏之后才会意识到电池的溶胀和/或降解。
因此，需要一种用于使用于便携式电子设备的高电压锂聚合物电池中的溶胀最小化并且提高容量保留的机制。
发明内容
本发明所公开的实施例提供了一种锂聚合物电池单元。锂聚合物电池单元包括阳极和阴极，所述阴极包含掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子。锂聚合物电池单元还包括封装阳极和阴极的袋，其中袋为柔性的。阴极可允许锂聚合物电池单元的充电电压大于4.25V。
在一些实施例中，掺杂剂包括镁、钛、锌、硅、铝、锆、钒、锰或铌的元素或化合物。化合物可对应于氧化物、磷酸盐和/或氟化物。利用某种技术，例如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术，阴极中的掺杂剂和保护化学品的组合含量可大于0.02％并且小于0.8％。
在一些实施例中，锂钴氧化物粒子的中值粒度(D50)介于5微米和25微米之间。
在一些实施例中，锂钴氧化物粒子还涂覆有保护化学品。
在一些实施例中，保护化学品的厚度为约200纳米。保护化学品还可包括氧化物、磷酸盐和氟化物。
在一些实施例中，电池单元还包括包含电解质添加剂的电解质。电解质添加剂可包括碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和二腈添加剂。二腈添加剂可为丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈和/或苯二甲腈。
在一些实施例中，二腈添加剂的含量小于电解质的5重量％。
在一些实施例中，单元中的水含量小于200ppm，优选小于20ppm。
在一些实施例中，袋的厚度小于120微米。
附图说明
图1示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的俯视图。
图2示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的一组层。
图3示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的阴极的锂钴氧化物粒子。
图4示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的制造过程的流程图。
图5示出了根据本发明所公开的实施例的便携式电子设备。
在附图中，相似的参考编号是指相同的附图元件。
具体实施方式
进行如下的描述，以使得本领域任何技术人员能够实现和使用所述实施例，并且在特定应用及其要求的上下文中提供。对本发明所公开的实施例的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神和范围的前提下应用于其他实施例和应用。因此，本发明不限于所示实施例，而是使得其最宽范围与本文所公开的原理和特征一致。
在该具体实施方式中所述的数据结构和代码通常存储在计算机可读存储介质上，所述计算机可读存储介质可为可存储供计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质。计算机可读存储介质包括但不限于易失性存储器、非易失性存储器、磁性和光学存储设备(如磁盘驱动器、磁带、CD(光盘)、DVD(数字通用光盘或数字视频光盘))，或现在已知或以后开发出的能够存储代码和/或数据的其他介质。
具体实施方式部分中所述的方法和过程可实施为代码和/或数据，其可存储在如上所述的计算机可读存储介质中。当计算机系统读取和执行存储在计算机可读存储介质上的代码和/或数据时，计算机系统执行实施为数据结构和代码并且存储在计算机可读存储介质内的方法和过程。
此外，本文所述的方法和过程可包括在硬件模块或装置中。这些模块或装置可包括但不限于专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、专用或共享处理器，所述专用或共享处理器执行特定软件模块或在特定时间的一段代码，和/或现在已知或以后开发出的其他可编程逻辑器件。当激活硬件模块或装置时，它们执行包括在其中的方法和过程。
本发明所公开的实施例涉及锂聚合物电池单元的设计和制造。电池单元可包含一组层，包括阴极、隔板和阳极。这些层可卷绕以形成凝胶卷并且密封到柔性袋内以形成电池单元。
更具体地讲，本发明所公开的实施例涉及用于诸如膝上型计算机、平板型计算机、移动电话、便携式媒体播放器和/或数字相机的便携式电子设备的高电压锂聚合物电池单元的设计和制造。高电压锂聚合物电池单元的充电电压可大于4.25V。
为了防止与增大的充电电压相关的溶胀和容量损耗，高电压锂聚合物电池单元的阴极可包括锂钴氧化物粒子，其掺杂有掺杂剂以使粒子的晶体结构稳固。掺杂剂可包括镁、钛、锌、硅、铝、锆、钒、锰和/或铌的元素和/或化合物。锂钴氧化物粒子也可涂覆有诸如氧化物、氟化物和/或磷酸盐的保护化学品。利用某种技术，例如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术，阴极中的保护化学品和/或掺杂剂的组合含量可介于0.02％和0.8％之间。锂钴氧化物粒子的中值粒度(D50)可介于5微米和25微米之间，并且保护化学品的涂层厚度可为约200纳米。
为了进一步抵消与较高的充电电压相关的溶胀和/或降解，高电压锂聚合物电池单元的电解质可包含电解质添加剂，例如碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和/或二腈添加剂(如，丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、苯二甲腈等)。电解质的二腈含量可小于电解质的5重量％。此外，单元中的水含量可小于200ppm，优选小于20ppm。高电压锂聚合物电池单元中的阴极和电解质材料的组合可降低电池单元在较高充电电压下的溶胀和容量损耗速率，即使在高温下操作和/或储存电池单元时亦如此。
图1示出了根据实施例的电池单元100的俯视图。电池单元100可对应于用于为便携式电子设备供电的锂聚合物电池单元。电池单元100包括凝胶卷102，该凝胶卷包含卷绕在一起的多个层，所述多个层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极。更具体地讲，凝胶卷102可包括被一条隔板材料带(如，导电聚合物电解质)分隔开的一条阴极材料带(如，涂覆有锂化合物的铝箔)和一条阳极材料带(如，涂覆有碳的铜箔)。然后，阴极、阳极和隔板层可以卷绕在芯轴上以形成螺旋形卷绕结构。凝胶卷在本领域中是已知的并且将不再进一步描述。
在组装电池单元100的过程中，凝胶卷102被封装在柔性袋中，所述柔性袋是通过沿着折叠线112折叠柔性片材而形成的。例如，柔性片材可由具有聚合物膜(例如聚丙烯)的铝构成。在折叠柔性片材之后，例如可以通过沿着侧面密封部110和沿着平台密封部108施加热来密封柔性片材。柔性袋的厚度可小于120微米以提高电池单元100的封装效率和/或能量密度。
凝胶卷102还包括耦合到阴极和阳极的一组导电引片106。导电引片106可以延伸穿过袋中的密封部(例如，使用密封带104形成的密封部)以为电池单元100提供端子。然后，导电引片106可用于将电池单元100与一个或多个其他电池单元电耦合以形成电池组。例如，电池组可以通过以串联、并联或串并联配置来耦合电池单元来形成。可将耦合的单元封装在硬质壳体中以完成电池组，或可将耦合的单元嵌入便携式电子设备(例如膝上型计算机、平板型计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、数字相机和/或便携式媒体播放器)的外壳内。
本领域的技术人员将会知道，电池容量的减小可能是由诸如老化、使用、缺陷、高温和/或损坏的因素引起。此外，电池容量降低超过某一阈值(如，低于初始容量的80％)可伴随有电池溶胀，其会损坏便携式电子设备或使便携式电子设备变形。
具体地讲，电池单元100的充电和放电可引起电解质与阴极材料反应，从而导致电解质氧化和/或阴极材料降解。反应可降低电池单元100的容量并通过阴极增大和/或电池单元100内气体积聚而引起溶胀。此外，如果电池单元100在较高温度下操作和/或在高充电电压下持续充电，则反应可加速。例如，在25℃下操作和/或在4.2V下充电的锂聚合物电池单元100在1050个充电-放电循环之后可达到初始容量的80％并且厚度可增加8％。然而，在45℃和/或4.3V充电电压下使用的相同的电池单元100在1050个充电-放电循环之后可使容量降低至初始容量的70％并使溶胀增加至10％。
在一个或多个实施例中，电池单元100对应于充电电压大于4.25V的高电压锂聚合物电池单元。此外，可选择电池单元100的阴极和隔板(如，电解质)材料以使电池单元100在较高充电电压下的溶胀和容量损耗最小化，并且可进一步使电池单元100能够在高温下操作和/或储存。电池单元100的材料在下文进行更详细的讨论。
图2示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元(如，图1的电池单元100)的一组层。层可包括阴极集电器202、阴极活性涂层204、隔板206、阳极活性涂层208和阳极集电器210。阴极集电器202和阴极活性涂层204可形成用于电池单元的阴极，而阳极集电器210和阳极活性涂层208可形成用于电池单元的阳极。可以卷绕层以形成用于电池单元的凝胶卷，例如图1的凝胶卷102。
如上所述，阴极集电器202可为铝箔，阴极活性涂层204可为锂化合物，阳极集电器210可为铜箔，阳极活性涂层208可为碳，并且隔板206可包括导电聚合物电解质。更具体地讲，阴极活性涂层204可包括涂覆有保护化学品的锂钴氧化物粒子。保护化学品可缓解在电池单元的充电和/或放电过程中阴极活性涂层204与隔板206中的电解质反应所引起的溶胀和/或容量损耗。锂钴氧化物粒子可另外掺杂有掺杂剂以使粒子的晶体结构稳固。保护化学品和/或掺杂剂可包括镁、钛、锌、硅、铝、锆、钒、锰和/或铌的元素和/或化合物。化合物可对应于氧化物、氟化物和/或磷酸盐。用于锂聚合物电池单元的阴极中的锂钴氧化物粒子在下文中结合图3进行更详细的讨论。
隔板206中的电解质可包含电解质添加剂，例如碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯和/或琥珀酸酐。为了进一步抵消与电池单元的充电和/或放电相关的降解，电解质还可包含增加电池单元的温度稳定性的二腈添加剂(如，丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、苯二甲腈等)。例如，在电解质中包含小于5重量％的二腈添加剂以及在电池单元中包含小于200ppm的水(如，优选地小于20ppm)可将电池单元中的溶胀和/或容量损耗保持在可接受的范围内，甚至在高温(如，45℃)下操作和/或在高温(如，65℃-85℃)下储存电池单元时亦如此。
因此，电池单元的层中的材料可使得电池单元能够在高于常规的锂聚合物电池单元的充电电压下安全地操作。例如，阴极中涂覆和/或掺杂的锂钴氧化物粒子、电解质中的二腈添加剂和/或单元中的水含量的组合可使得电池单元中的溶胀在60℃的储存条件下以100％充电状态可持续500小时和/或在85℃的储存条件下以100％充电状态可持续6小时保持为小于10％。相同的电池单元在25℃下进行1000个充电-放电循环之后可包括大于80％的容量保留和小于10％的溶胀。
图3示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的阴极的锂钴氧化物粒子302。锂钴氧化物粒子302的D50可介于5微米和25微米之间。如图3所示，锂钴氧化物粒子302可掺杂有掺杂剂306。掺杂剂306可在电池单元的充电和/或放电过程中稳固锂钴氧化物粒子302的晶体结构。
锂钴氧化物粒子302也可涂覆有保护化学品304(如，使用液相反应、固态涂覆、机械磨削等)。保护化学品304的厚度可为约200纳米，并且可降低在电池单元的充电和/或放电过程中锂钴氧化物粒子302与电解质反应的速率。
掺杂剂306和/或保护化学品304可包括镁、钛、锌、硅、铝、锆、钒、锰和/或铌的元素和/或化合物。化合物可对应于氧化物、金属氟化物和/或金属磷酸盐。此外，如通过诸如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的测量技术所测量，锂钴氧化物粒子302中掺杂剂306和保护化学品304的组合含量可大于0.02％但小于0.8％。
在锂钴氧化物粒子302中包含保护化学品304和/或掺杂剂306可通过抵消与用于电池单元的较高充电电压相关的增大的溶胀和/或容量损耗而有利于在高电压锂聚合物电池单元的阴极中使用锂钴氧化物粒子302。此外，保护化学品304和/或掺杂剂306可能不提供与其他类型的阴极活性材料(例如锂镍钴锰氧化物和/或锂镍铝氧化物)相同的电池性能有益效果。换句话讲，涂覆有保护化学品(如，保护化学品304)和/或掺杂有掺杂剂(如，掺杂剂306)的锂钴氧化物粒子(如，锂钴氧化物粒子302)可为唯一的阴极活性材料类型，其针对锂聚合物电池单元中与高充电电压相关的溶胀和/或阴极降解提供足够的保护。
图4示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的制造过程的流程图。在一个或多个实施例中，可省略、重复和/或以不同顺序执行步骤中的一者或多者。因此，图4中示出的步骤的特定布置不应理解为限制该实施例的范围。
首先，获取阴极和阳极(操作402)。阴极可包含涂覆有保护化学品和/或掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子。保护化学品和/或掺杂剂可包括镁、钛、锌、硅、铝、锆、钒、锰和/或铌的元素和/或化合物。化合物可对应于氧化物、金属氟化物和/或金属磷酸盐。此外，阴极中掺杂剂和保护化学品的组合含量可大于0.02％但小于0.8％。接着，将阴极和阳极放入袋内(操作404)。袋可包括铝层和聚丙烯或聚乙烯层。此外，袋的厚度可小于120微米。
随后用包含电解质添加剂的电解质填充袋(操作406)。电解质添加剂可包括碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和/或二腈添加剂。二腈添加剂可对应于丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈和苯二甲腈并且构成小于5重量％的电解质。此外，单元中的水含量可小于200ppm(如，优选地小于20ppm)。最终，将阴极和阳极密封在袋中以形成电池单元(操作408)。随后可将大于4.25V的充电电压与电池单元一起使用以有利于从电池单元中为便携式电子设备供电。
上述可再充电电池单元通常可用于任何类型的电子设备。例如，图5示出了便携式电子设备500，其包括处理器502、存储器504和显示器508，它们均由电池506供电。便携式电子设备500可以对应于膝上型计算机、移动电话、PDA、平板型计算机、便携式媒体播放器、数字相机和/或其他类型的电池供电的电子设备。电池506可以对应于包括一个或多个电池单元的电池组。每个电池单元均可包括密封在柔性袋中的阳极和阴极。阴极可包含涂覆有保护化学品和/或掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子。电池单元还可包括电解质，该电解质包含诸如碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和/或二腈添加剂的电解质添加剂。二腈添加剂可包括丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈和苯二甲腈。此外，电池单元可包含小于200ppm的水。
已提供了对各种实施例的上述描述，但其仅用于举例说明和描述性目的。这些描述不应认为是穷举性的或将本发明限制为所公开的形式。因此，多个修改和变型形式对于本领域中的实际工作技术人员来说将是显而易见的。另外，上述公开内容并非意图限制本发明。

Claims (28)

1.一种锂聚合物电池单元，包括：
阳极；
阴极，所述阴极包含掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子；以及
封装所述阳极和所述阴极的袋，其中所述袋为柔性的，
其中所述锂聚合物电池单元的充电电压大于4.25V。
2.根据权利要求1所述的锂聚合物电池单元，其中所述掺杂剂包含下列的元素或化合物：
镁；
钛；
锌；
硅；
铝；
锆；
钒；
锰；或
铌。
3.根据权利要求1所述的锂聚合物电池单元，其中所述锂钴氧化物粒子还涂覆有保护化学品。
4.根据权利要求3所述的锂聚合物电池单元，其中所述保护化学品为氧化物、磷酸盐和氟化物中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的锂聚合物电池单元，还包括：
包含电解质添加剂的电解质，
其中所述电解质添加剂包含碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和二腈添加剂中的至少一者，并且
其中所述二腈添加剂为丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈和苯二甲腈中的至少一者。
6.根据权利要求5所述的锂聚合物电池单元，其中所述二腈添加剂的含量小于所述电解质的5重量％。
7.根据权利要求1所述的锂聚合物电池单元，其中所述单元中的水含量小于200ppm。
8.根据权利要求1所述的锂聚合物电池单元，其中所述袋的厚度小于120微米。
9.一种用于制备电池单元的方法，包括：
获取阴极和阳极，其中所述阴极包含掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子；以及
将所述阴极和所述阳极密封在袋中以形成所述电池单元，其中所述袋为柔性的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述掺杂剂包含下列的元素或化合物：
镁；
钛；
锌；
硅；
铝；
锆；
钒；
锰；或
铌。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述锂钴氧化物粒子的中值粒度(D50)介于5微米和25微米之间。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述锂钴氧化物粒子还涂覆有保护化学品。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述保护化学品的厚度为约200纳米。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述保护化学品为氧化物、磷酸盐和氟化物中的至少一者。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在将所述阴极和所述阳极密封在所述袋中之前用包含电解质添加剂的电解质填充所述袋，
其中所述电解质添加剂包含碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和二腈添加剂中的至少一者，并且
其中所述二腈添加剂为丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈和苯二甲腈中的至少一者。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述二腈添加剂的含量小于所述电解质的5重量％。
17.根据权利要求9所述的方法，其中所述单元中的水含量小于200ppm。
18.一种便携式电子设备，包括：
一组由电池组供电的组件；以及
所述电池组，所述电池组包括：
充电电压大于4.25V的锂聚合物电池单元，所述锂聚合物电池单元包括：
阳极；
阴极，所述阴极包含掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子；以及
封装所述阳极和所述阴极的袋，其中所述袋为柔性的。
19.根据权利要求18所述的便携式电子设备，其中所述掺杂剂包含下列的元素或化学物：
镁；
钛；
锌；
硅；
铝；
锆；
钒；
锰；或
铌。
20.根据权利要求18所述的便携式电子设备，其中所述锂钴氧化物粒子的中值粒度(D50)介于5微米和25微米之间。
21.根据权利要求18所述的便携式电子设备，其中所述锂钴氧化物粒子还涂覆有保护化学品。
22.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其中所述保护化学品为氧化物、磷酸盐和氟化物中的至少一者。
23.根据权利要求18所述的便携式电子设备，其中所述电池单元还包括：
包含电解质添加剂的电解质，
其中所述电解质添加剂包含碳酸亚乙酯、乙酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯、噻吩、1,3-丙磺酸内酯、琥珀酸酐和二腈添加剂中的至少一者，并且
其中所述二腈添加剂为丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈和苯二甲腈中的至少一者。
24.根据权利要求23所述的便携式电子设备，其中所述二腈添加剂的含量小于所述电解质的5重量％。
25.根据权利要求19所述的便携式电子设备，其中所述单元中的水含量小于200ppm。
26.一种锂聚合物电池单元，包括：
阳极；
阴极，所述阴极包含涂覆有保护化学品或掺杂有掺杂剂的锂钴氧化物粒子，其中所述保护化学品或所述掺杂剂包含镁、钛、锌、硅、铝、锆、钒、锰或铌的元素或化合物；以及
封装所述阳极和所述阴极的袋，其中所述袋为柔性的，
其中所述锂聚合物电池单元的充电电压大于4.25V。
27.根据权利要求26所述的锂聚合物电池单元，其中所述化合物为氧化物、磷酸盐和氟化物中的至少一者。
28.根据权利要求26所述的锂聚合物电池单元，其中利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术，所述阴极中的所述保护化学品和所述掺杂剂的组合含量大于0.02％并且小于0.8％。
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