CN105529491A - 具有补偿电位材料的金属离子电池 - Google Patents

具有补偿电位材料的金属离子电池 Download PDF

Info

Publication number
CN105529491A
CN105529491A CN201510681081.0A CN201510681081A CN105529491A CN 105529491 A CN105529491 A CN 105529491A CN 201510681081 A CN201510681081 A CN 201510681081A CN 105529491 A CN105529491 A CN 105529491A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
anode
lithium
collector
potential
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510681081.0A
Other languages
English (en)
Inventor
李峰
志·派克
杨俊�
马克·斯蒂芬·瑞克茨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Publication of CN105529491A publication Critical patent/CN105529491A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/103—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure prismatic or rectangular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

金属离子电池包括由电解质离子耦合的阳极组件和阴极组件。阳极组件包括集流体和能够嵌入金属离子的阳极材料。当电池不工作时，阳极和阴极之间的离子迁移处于最小，并且相对于电解质的阳极组件电位可以增大。增大的电位可以超过集流体材料的还原电位，从而引起离子从集流体侵蚀并污染阴极。金属、金属合金或金属化合物的使用降低集流体的静电位并减少集流体的侵蚀。例如，在锂离子电池中，与铜集流体物理接触的锂箔降低总体阳极电位，从而减少铜溶解。

Description

具有补偿电位材料的金属离子电池
技术领域
本申请总体上涉及金属离子电池的结构。
背景技术
包括金属离子电池和可再充电金属离子电池的电化学电池包括电极。电极可以是阳极(负电荷端子)或阴极(正电荷端子)。通常，阳极(或阳极组件)包括阳极集流体和阳极活性材料，而阴极(或阴极组件)包括阴极集流体和阴极活性材料。阳极组件和阴极组件可以通过允许离子在阳极组件和阴极组件之间穿过的微孔层来隔开，同时保持阳极活性材料和阴极活性材料隔开。金属离子电池的电极可以浸入在容纳在电池中的电解质中，电解质可以是液体(水性液体、非水性液体)或固体(陶瓷、干的聚合物、凝胶或粉末)。
电化学电池可以具有包括纽扣电池、圆柱形电池、棱柱形电池或袋状电池的许多构型。电化学电池可以作为牵引电池用在混合动力车辆和纯电动车辆中，以提供推动功率并且还可以提供用于一些配件的功率。
发明内容
一种金属离子电池包括浸入在电解质中的阳极组件。阳极组件包括集流体，集流体具有在第一侧上的阳极材料和在第二侧上的补偿电位材料。阳极材料具有关于电解质的第一静电位。阳极材料可以与集流体的第一侧和隔膜接触并且夹在集流体的第一侧和隔膜之间。补偿电位材料可以具有关于电解质的第二静电位。补偿电位材料可以与集流体的第二侧接触并且具有第二静电位。第二静电位可以降低阳极组件的合成电位以减少集流体的溶解。
一种可再充电的碱金属离子电池包括层状电极组件。层状电极组件包括：电化学活性材料，具有第一静电位；集流体，相邻地分层的并接触电化学活性材料；以及补偿电位材料，具有第二静电位。补偿电位材料可以是相邻地分层的，并接触集流体。第二静电位可以降低层状电极组件的平均电位。电位的降低可以减少集流体的溶解。电池还包括与层状电极组件离子接触的电解质。电化学活性材料可以是硅、氧化钛、石墨、石墨烯、硬碳或软碳，并且基本不含锂。集流体可以是铜金属、镀铜箔和铜网箔中的一种。碱金属离子电池可以是锂离子电池。补偿电位材料可以是锂、锂合金或锂化合物。补偿电位材料可以是层状相邻的，并且与大于阈值面积的集流体接触。
一种可再充电的锂离子电池包括浸入在电解质中的阳极。阳极包括具有第一侧和第二侧的铜(Cu)集流体。碳质阳极材料可以与第一侧和隔膜接触并且被夹在第一侧和隔膜之间。锂化材料可以与预定量(例如，至少10％)的第二侧接触。碳质阳极材料可以是石墨、石墨烯、硬碳或软碳，并且基本不含锂。锂材料可以是锂、锂合金或锂化合物。铜集流体可以是镀铜箔或铜网箔。
附图说明
图1是示出典型的动力系和能量储存组件的混合动力车辆的图。
图2是包括多个电池并且由电池能量控制模块监测和控制的可能的电池组布置的图。
图3A是示例性电化学电池的图。
图3B是包括多个电化学电池的示例性电池的图。
图3C是示例性金属离子电池320的剖视图。
图4是示例性金属离子电池的剖视图。
图5是电化学电池的分解透视图。
具体实施方式
在这里描述本公开的实施例。然而，将理解的是，公开的实施例仅是示例并且其他实施例可以采取各种形式和替换形式。附图未必按比例绘出；一些特征可以被放大或最小化以显示具体组件的细节。因此，在这里公开的具体的结构细节和功能细节不解释为限制性的，而是仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一幅附图示出并描述的各种特征可以与在一幅或更多幅其他附图中示出的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以期望用于具体应用或实施方式。
图1描述了典型的插入式混合电动车辆(HEV)。典型的插入式混合电动车辆112可以包括结合到混合变速器116的一个或更多个电动机器(或电机器)114。电机器114可以能够操作为马达或发电机。另外，混合变速器116结合到发动机118。混合变速器116还结合到驱动轴120，驱动轴120结合到车轮122。当发动机118被打开或关闭时，电机器114可以提供推进和减速能力。电机器114还可以充当发电机并且可以通过使通常将在摩擦制动系统中作为热失去的能量再生来提供燃料经济优点。电机器114还可以通过允许发动机118在更高效的条件(发动机速度和负荷)下操作并允许混合电动车辆112在特定条件下在发动机118关闭的情况下以电动模式操作来减少车辆排放物。
牵引电池或电池组124储存可以由电机器114使用的能量。车辆电池组124通常提供高电压DC输出。牵引电池124电连接到一个或更多个功率电子模块。一个或更多个接触器142可以在打开时将牵引电池124与其他组件绝缘，并且可以在关闭时将牵引电池124连接到其他部件。功率电子模块126还电连接到电机器114并且提供在牵引电池124与电机器114之间双向地传递能量的能力。例如，当电机器114可以使用三相AC电流来作用时，典型的牵引电池124可以提供DC电压。功率电子模块126可以将DC电压转换为由电机器114使用的三相AC电流。在再生模式下，功率电子模块126可以将来自用作发电机的电机器114的三相AC电流转换为由牵引电池124使用的DC电压。这里的描述同等适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合变速器116可以是连接到电机器114的齿轮箱并且可以不存在发动机118。
除了提供推进能量，牵引电池124可以提供用于其他车辆电气系统的能量。车辆可以包括DC/DC转换器模块128，DC/DC转换器模块128可以将牵引电池124的高电压DC输出转换为与其他车辆负载适配的低电压DC供电。诸如压缩机和电加热器的其他高电压电负载146可以在不使用DC/DC转换模块128的的情况下直接连接到高电压。当适合时，电负载146可以具有操作电负载146的相关控制器。低电压系统可以电连接到辅助电池130(例如，12V电池)。
车辆112可以是电动车辆或插入式混合动力车辆，其中，牵引电池124可以由外部电源136再充电。外部电源136可以是到电源插座的连接件。外部电源136可以电连接到电动车辆供应设备(EVSE)138。EVSE138可以提供电路和控制以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传递。外部电源136可以向EVSE138提供DC或AC电力。EVSE138可以具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接件140。充电端口134可以是构造成将电力从EVSE138传递到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可以电连接到充电器或车载功率转换模块132。功率转换模块132可以调节从EVSE138供应的功率，以向牵引电池124提供合适的电压和电流水平。功率转换模块132可以与EVSE138通过接口结合以协调到车辆112的电力传递。EVSE连接件140可以具有与充电端口134的相应凹进匹配的引脚。或者，描述为电连接的各种组件可以使用无线电感耦合来传递功率。
讨论的各种组件可以具有一个或更多个相关的控制器以控制和监测组件的操作。控制器可以通过串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或通过分立导体进行通信。另外，可以存在系统控制器148，以协调各种组件的操作。牵引电池124可以由各种化学制剂来构造。典型的电池组化学品可以是铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。
图2示出了在N个电池202的简单串联构造中的典型的牵引电池组200。电池组200可以由串联或并联或其一些组合连接的任意数量的单独的电池单元组成。典型的系统可以具有一个或更多个控制器，诸如控制并监测牵引电池200的性能的电池能量控制模块(BECM)204。BECM204可以监测若干电池组水平特性，诸如可以由组电流测量模块208监测的组电流206、可以由组电压测量模块212监测的组电压210和可以由组温度测量模块214监测的组温度。BECM204可以具有非易失性存储器，从而当BECM204处于断开条件时可以保存数据。保存的数据可在下一个点火周期时使用。电池管理系统可以包括除了电池单元之外的组件，并且可以包括BECM204、测量传感器和模块(208、212、214)以及传感器模块216。电池管理系统的功能可以使牵引电池以安全和高效的方式操作。
除了组水平特性之外，可以存在测量和监测的电池单元220的水平特性。例如，可以测量每个电池220的电压、电流和温度。系统可以使用传感器模块216来测量单独的电池单元220的特性。根据能力，传感器模块216可以测量一个或多个电池单元220的特性。电池组220可以利用多达Nc个传感器模块216来测量每个电池单元220的特性。每个传感器模块216可以将测量传递到BECM204，以进行进一步处理和协调。传感器模块216可以以模拟或数据形式将信号传递到BECM204。在一些实施例中，传感器模块216的功能可以内部地合并到BECM204中。即，传感器模块216的硬件可以集成为BECM204中的电路的一部分，其中，BECM204可以操纵原信号的处理。
电池单元220和组电压210可以使用组电压测量模块212中的电路来测量。传感器模块216内的电压传感器电路和组电压测量电路212可以包含各种电子组件以对电压信号进行缩放和取样。待测量的信号可以被引导至传感器模块216内的模数(A/D)转换器或BECM204的输入端，以转换为数字值。传感器模块216、组电压传感器212和BECM204可以包含电路，以确定电压测量组件的状态。另外，传感器模块216或BECM204内的控制器可以基于预期的信号操作水平执行信号边界检查。
电化学电池包括干单元电池、湿单元电池、碱性单元电池和金属离子电池。金属离子电池尤其是锂离子电池在日常生活中是重要的。与其他可再充电电池相比，锂离子电池展现出高体积和重量的能量密度。锂离子电池包括隔膜(或隔板)、电解质、电活性材料和集流体。通常，隔膜是形成微孔层的聚合膜，以允许离子传递，同时保持阳极活性材料与阴极活性材料隔开。正极活性材料是锂化过渡金属氧化物(例如，锂镍钴锰氧化物Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2、钴酸锂LiCoO2、磷酸铁锂、LiFePO4或锂锰氧化物LiMn2O4)。负极材料允许电池离子的嵌入，并可以包括诸如碳质材料(例如，石墨、石墨烯、硬碳和软碳)、锂钛氧化物(即，Li4Ti5O12或LTO)、钛酸锂、硅材料或纳米材料之类的材料。电解质可以是固体(例如，凝胶聚合物电解质)或液体(例如，非水电解质)。液体电解质通常是锂盐和来自酯、醚或碳酸盐族的各种溶剂。铝箔通常用作正极集流体，并且铜箔通常用作负极集流体。目前，铜箔(例如，镀Cu箔、Cu箔、Cu箔网和镀Cu阳极材料)是用于锂离子电池的主要的阳极集流体材料；然而，其他金属、组合物或材料(例如，Cu合金)可以用作阳极集流体。用于集流体的Cu的使用具有优点但是也具有一些缺点。一个缺点是：在长期储存期间，锂离子电池经历容量损失。电池容量损失导致减小的电池电压，其中，电池电压可降到低于正常最小电压的水平。即，锂离子电池储存可以导致过放电。在过放电期间，负极可以达到相对于电解质的高电位。此高电位导致集流体(例如，Cu集流体)电位升高超过集流体材料(例如，Cu)的还原电位。此高电位可以归因于集流体侵蚀/腐蚀(即，Cu溶解在Cu集流体中)。目前，没有有效的方法来防止在Li离子电池中出现铜集流体侵蚀/腐蚀。
金属离子电池(例如，Li离子电池)的过放电，特别是在储存或不使用期间，可以驱使负极电位(即，阳极电位)高于3伏特(相对于电解质和Li+/Li)，从而引起锂离子电池容量和性能下降。当Li离子电池重复地被强迫和/或保持在诸如1V的低电压下长达延长的时间段时，过充电引起铜溶解和阳极固体电解质界面(SEI)层损坏，从而导致容量损失。已经显示出，铜集流体的溶解和Cu2+离子通过隔膜的迁移导致Cu镀到阴极活性材料表面上，这继而会导致减少电池容量的阴极活性材料表面积的减少、电池的内部短路或大的自放电电流。
在储存和过放电期间减少阳极集流体的集流体金属溶解(例如，铜溶解)的结构包括接触集流体的背侧放置并且浸入在电池的电解质中的低电位材料。因此，在不活泼时段期间铜金属将保持在低电位。集流体的背侧通常邻近于电池壳、外壳或壳体，并且通常未涂覆有活性材料。
图3A是示例性电化学电池300的图。电化学电池300可以具有包括棱柱形电池、袋状电池、圆柱状电池或纽扣电池的多个构型。电化学电池300包括阳极接线片(负极接线片、负极端子)302和阴极接线片(正极接线片、正极端子)304。电化学电池通常布置为层结构。在此图中，壳306可以视为通常用于容纳电池单元组件和电解质的第一层。通常，壳306邻近于阳极集流体310，其中，材料不在阳极集流体310和壳306之间。然而，为了减少阳极集流体310的溶解，静电位材料(restpotentialmaterial)或补偿电位材料(offsetpotentialmaterial)308接触阳极集流体310放置并且在壳306与阳极集流体310之间。此补偿电位材料308可以是碱金属、碱土金属、碱金属合金、碱土金属合金、碱金属化合物和碱土金属化合物中的一种。活性阳极材料312允许电池离子的嵌入。例如，在Li离子电池中，活性阳极材料允许Li+离子嵌入。允许Li+的嵌入的材料包括碳质材料(例如，石墨、石墨烯、硬碳和软碳)、锂钛氧化物(即，Li4Ti5O12或LTO)、硅材料或纳米材料。阳极材料312邻近于隔膜材料314，后者提供阳极材料312与阴极材料316之间的分隔。隔膜314是薄微孔膜，其在电池放电期间允许正离子从阴极材料314迁移到阳极材料312，在充电期间反之亦然。隔膜314是薄膜，通常为大约15μm厚，并且具有促进离子在阳极材料312与阴极材料316之间容易地交换的性能。在金属离子电池中，阴极材料316通常是金属氧化物。例如，用于Li离子电池的阴极材料可以包括锂镍钴锰氧化物Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2、锂钴氧化物LiCoO2、磷酸铁锂LiFePO4、锂锰氧化物LiMn2O4和锂镍钴铝氧化物Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2。这些非化学计量的化合物是以示例性的元素组成给出的，并且不意图是限制性的，因为可以使用多种元素组成比。阴极材料316接触阴极集流体318，阴极集流体318可以是导电金属、合金或组合物。例如，在Li电池中，阴极集流体通常为铝(例如，Al箔)。
图3B是包括多个电化学电池的示例性电池的图。电化学电池320可以包括串联或并联或以其组合方式电连接的多个单独的电化学电池。电池320被示为包括并联电连接的五个单独的电化学电池。当阳极内部电池组件接线片322和阳极组件接线片304并联连接时，每个单独的电池电极的电压影响电池的整体电压。例如，与阳极接线片304并联连接的阳极接线片322的电位将组合以提供合成电位，合成电位是基于每个阳极接线片(322和304)的充电和电力的平均电位。图3C是示例性的金属离子电池320的剖视图。
图4是示例性的金属离子电池400的剖视图。金属离子电池(例如，Li离子电池)400包括导电的阴极集流体402(例如，Al和Al合金)。阴极活性材料404接触阴极集流体402。在金属离子电池中的阴极活性材料404通常是过渡金属氧化物。金属离子电池400也包括导电的阳极集流体406(例如，Cu、Cu箔和Cu合金)。阳极活性材料408接触阳极集流体406。在金属离子电池中的阳极活性材料408通常是允许金属离子嵌入以使电荷可以移动到嵌入位中并从嵌入位移出的材料。隔膜412位于阳极活性材料408与阴极活性材料404之间。隔膜412是允许阴极活性材料404与阳极活性材料408在物理上紧密靠近并且同时保持活性材料隔开的薄膜。电极活性材料的物理紧密接近是有助于阳极材料408与阴极材料404之间的低电阻率的一个因素。阳极材料408与阴极材料404的相互作用驱动电池电压。
由于一些因素，电池的操作电压通常低于标准电池电压，第一个因素是电池电流和电池内电阻，另一因素是阳极和阴极处的活化极化，并且另外的因素是阳极和阴极处的浓度极化。当电池不工作时，由于缺少外部的电流，所以第一因素被最小化。当电池放电(自放电)时，电极处的电位改变并且两个电极之间的差分电压接近0。当这种情况发生时，阳极相对电解质的电位增大。当相对于电解质的阳极电位增大到大于预定值(例如，1.5V和2V)的值时，阳极集流体材料可以超过还原电位引起阳极集流体的离子变成离子(Cu→Cu2++2e-)的还原电压。集流体材料(例如，Cu)溶解到电解质中会导致电解质的污染，其中，溶液中的材料(例如，Cu)可以沉积在阴极上，从而导致用于活性金属离子储存的间隙位的损失或其会引起内部短路。
补偿材料410的使用可以减小电池阳极的非活性电位或静电位，使得阳极集流体不达到集流体材料的还原电位。因此，减少阳极集流体材料的离子转换。补偿材料可以包括在固体形式时具有包围材料的电子云416的金属414。金属414还可以是与用于金属离子电池的基础金属相同的金属。例如，锂箔可以用在锂离子电池中。当锂箔被放置为接触与阳极活性材料相对的铜集流体时，锂箔将用作降低阳极组件(阳极活性材料、阳极集流体和补偿材料)的电位的牺牲阳极。因为与阴极的距离以及由此引起的电阻率，补偿材料通常将不变为离子的，但是将降低集流体电压，以减少集流体材料的溶解。这种集流体电压的减小应用于电连接到阳极组件的与补偿材料接触的所有集流体。比相对于彼此并联电连接的阳极或所有阳极的总表面积的阈值面积大的预定表面积(例如，5％、10％、20％)被建议以将集流体电压减小到可接受的水平。例如，对于Li离子电池，Cu阳极集流体的表面积的被锂金属的10％的覆盖通过将阳极静电位减小到低于相对于电解质的2V来减少Cu的溶解。通常，集流体的邻近于壳体的一侧未涂覆有活性材料。这里，接触集流体(通常在裸侧上)所放置的补偿材料可以用于通过减少Cu溶解/Cu污染来延长电池寿命。在Li离子电池的示例中，补偿电位材料410可以包括锂金属、锂合金、锂化合物或其他锂化材料，以保持铜金属电位在电解质中低于相对于Li/Li+的2V。这种方法可以有效地防止铜腐蚀，从而延长锂离子电池储存寿命。从阳极活性材料到阴极材料420的离子迁移导致电池放电，同时电子从阳极行进到阴极。并且，离子从阴极活性材料到阳极材料422的迁移引起电池充电，同时电子从阴极行进到阳极。
图5是电化学电池的分解透视图。接触铜集流体的锂化材料的使用经由测试硬币电池500来展现，如图5所示。测试硬币电池500包括盖502和波形弹簧/钢板504，盖502是正端子。锂箔片506直接接触铜阳极集流体508。铜阳极集流体508是镀覆在阳极材料510的一侧上的铜。阳极材料510是石墨，阴极514是锂镍钴锰氧化物Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2。隔膜/电解质512是1.0mol·L-1六氟磷酸锂LiPF6/碳酸亚乙酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)+碳酸乙甲酯(EMC)。测试硬币电池500通过将层按压到在充满氩的手套箱中密封的罐518中来装配。电池在Solartron1480测试仪上进行测试。结果显示出，测试电池与普通全硬币电池类似地执行操作，包括集流体溶解的静态特性得以改善。
尽管上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并非旨在描述由权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性的词语而非限制性的词语，并且理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。如先前描述的，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的其他实施例。尽管各种实施例已经被描述成关于一个或更多个预期特征相对于其他实施例或现有技术的实施方案提供优点或是优选的，但本领域普通技术人员认识到，一个或更多个特点或特征可以被折衷以实现基于具体应用和实施方案的期望的总体系统属性。这些属性可以包括但是不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可市场性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于组装等。这样，描述为关于一个或更多个特征与其他实施例或现有技术的实施方案相比不太合意的实施例不在本公开的范围之外并且可期望用于具体的应用。

Claims (10)

1.一种金属离子电池，所述金属离子电池包括阳极组件，所述阳极组件浸入在电解质中并且包括：
集流体，具有第一侧和第二侧，
阳极材料，具有参照电解质的第一静电位，与第一侧和隔膜接触并且夹在第一侧和隔膜之间，以及
补偿电位材料，具有参照电解质的第二静电位，与第二侧接触，其中，第二静电位减小阳极组件的合成电位以减少集流体的溶解。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，补偿电位材料是碱金属、碱土金属、碱金属合金、碱土金属合金、碱金属化合物或碱土金属化合物。
3.根据权利要求1所述的电池，其中，金属离子电池是锂离子电池。
4.根据权利要求3所述的电池，其中，补偿电位材料是锂、锂合金或锂化合物。
5.根据权利要求1所述的电池，其中，补偿电位材料接触第二侧的至少10％。
6.根据权利要求1所述的电池，其中，阳极材料是碳质的，并且基本不含锂。
7.根据权利要求1所述的电池，还包括浸入在电解质中的阴极，其中，阴极是锂镍钴锰氧化物、锂钴氧化物、磷酸铁锂或锂锰氧化物。
8.根据权利要求1所述的电池，其中，集流体是镀铜箔或铜网箔。
9.根据权利要求1所述的电池，其中，电池是棱柱形电池、袋状电池或纽扣电池。
10.根据权利要求1所述的电池，其中，阳极材料是硅或钛酸锂。
CN201510681081.0A 2014-10-20 2015-10-20 具有补偿电位材料的金属离子电池 Pending CN105529491A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/518,390 2014-10-20
US14/518,390 US20160111727A1 (en) 2014-10-20 2014-10-20 Metal-Ion Battery with Offset Potential Material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105529491A true CN105529491A (zh) 2016-04-27

Family

ID=55638127

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510681081.0A Pending CN105529491A (zh) 2014-10-20 2015-10-20 具有补偿电位材料的金属离子电池

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160111727A1 (zh)
CN (1) CN105529491A (zh)
DE (1) DE102015117648A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108183197A (zh) * 2017-12-19 2018-06-19 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种复合金属锂负极结构及其制备方法
US10665905B2 (en) 2016-05-17 2020-05-26 Industrial Technology Research Institute Metal-ion battery

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170092952A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. Electrode material for lithium-ion rechargeable battery, electrode, lithium-ion rechargeable battery, and method for manufacturing electrode material for lithium-ion rechargeable battery
WO2018195454A1 (en) 2017-04-20 2018-10-25 De Rochemont L Pierre Resonant high energy density storage device
US11189828B2 (en) 2019-02-27 2021-11-30 Battelle Memorial Institute Lithium metal pouch cells and methods of making the same
US11165065B2 (en) * 2019-04-12 2021-11-02 Camx Power Llc High power, extended temperature range-capable, highly abuse overcharge and discharge tolerant rechargeable battery cell and pack

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020061446A1 (en) * 2000-11-17 2002-05-23 Hong Gan Double current collector negative electrode design for alkali metal ion electrochemical cells
CN101188312A (zh) * 2007-10-12 2008-05-28 广州市鹏辉电池有限公司 非水溶剂电解液添加剂及其电池
US20130236757A1 (en) * 2012-03-07 2013-09-12 Leyden Energy Cell assemblies with neutral cases
CN103329331A (zh) * 2010-11-12 2013-09-25 利登能源股份有限公司 高性能锂电池或锂离子电池
CN103579631A (zh) * 2012-07-18 2014-02-12 海洋王照明科技股份有限公司 一种铜箔集流体的制备方法及应用

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7097746B1 (en) * 2002-11-20 2006-08-29 Advanced Bionics Corporation Anodic protection of electrical contacts
JP2007273184A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Sony Corp 電池

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020061446A1 (en) * 2000-11-17 2002-05-23 Hong Gan Double current collector negative electrode design for alkali metal ion electrochemical cells
CN101188312A (zh) * 2007-10-12 2008-05-28 广州市鹏辉电池有限公司 非水溶剂电解液添加剂及其电池
CN103329331A (zh) * 2010-11-12 2013-09-25 利登能源股份有限公司 高性能锂电池或锂离子电池
US20130236757A1 (en) * 2012-03-07 2013-09-12 Leyden Energy Cell assemblies with neutral cases
CN103579631A (zh) * 2012-07-18 2014-02-12 海洋王照明科技股份有限公司 一种铜箔集流体的制备方法及应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10665905B2 (en) 2016-05-17 2020-05-26 Industrial Technology Research Institute Metal-ion battery
CN108183197A (zh) * 2017-12-19 2018-06-19 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种复合金属锂负极结构及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20160111727A1 (en) 2016-04-21
DE102015117648A1 (de) 2016-04-21
DE102015117648A8 (de) 2016-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3379624B1 (en) Secondary battery, battery pack, and vehicle
CN102742049B (zh) 可再充电的电化学电池组电池
Väyrynen et al. Lithium ion battery production
US9399404B2 (en) Charging system for all-solid-state battery
EP2041828B1 (en) Lithium reservoir system and method for rechargeable lithium ion batteries
CN102214843B (zh) 具有参考电极阵列的锂离子电池
CN105529491A (zh) 具有补偿电位材料的金属离子电池
CN102306747B (zh) 电池组及车辆
US20180316195A1 (en) Minimizing lithium plating in a lithium ion battery
US9389278B2 (en) Apparatus and method for estimating power of secondary blended comprising blended cathode material
JP6892358B2 (ja) 二次電池、電池パック及び車両
CN104577238B (zh) 具有参考电极的锂电池
US20140272558A1 (en) Electrode for a lithium-based secondary electrochemical device and method of forming same
CN109524725B (zh) 二次电池、电池组以及车辆
US20190088984A1 (en) Positive electrode, secondary battery, battery pack, and vehicle
CN104103851A (zh) 具有用于健康状态监视的参考电极的锂可再充电电池
CN114402473B (zh) 全固态锂离子二次电池系统和全固态锂离子二次电池用充电装置
KR20180106810A (ko) 복합 전해질, 이차 전지, 전지 팩 및 차량
JP2010525551A (ja) 黒鉛化不可能な炭素電極を持つ電気化学単電池及びエネルギー貯蔵装置
CN110247101B (zh) 用于对电池快速充电的方法
CN104412438A (zh) 二次电池
CN111710899A (zh) 二次电池、电池包及车辆
US20210408517A1 (en) Pre-lithiation of battery electrode material
CN114665169A (zh) 对锂离子电池进行活性恢复的方法以及锂离子电池
US20180254529A1 (en) Lithium replenishment for containing capacity loss in li ion batteries

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20160427

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication