CN111430778A - 具有快速充电能力和高能量密度的可再充电锂离子电池组化学 - Google Patents

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Abstract

提供一种可再充电锂离子电池组，其包括正极，所述正极包括在充电状态下包括原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）和在放电状态下包括FeSiO4或LiFeSiO4的正极电活性材料。负极包括磷烯。将隔离件布置在正极与负极之间。电解质具有尤其含有醚基有机溶剂的有机溶剂和锂盐，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。这样的可充电锂离子电池组提供有利的动力输送、长行驶距离和快速充电以增进电池组的广泛使用，尤其是在车辆中。此外，甚至在低温充电下，也可最小化或避免析锂。还提供了在低温下将可充电锂离子电池组再充电的方法。

Description

具有快速充电能力和高能量密度的可再充电锂离子电池组 化学
引言
这一节提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。
高能量密度电化学电池，如锂离子电池组可用于各种消费品和车辆，如混合动力汽车或电动汽车。电池组驱动车辆表现出作为交通工具选择的前景，因为电池组电量、寿命和成本持续取得技术进步。有可能限制电池组驱动车辆的更广泛接受度和应用的一个因素是可能有限的行驶距离，尤其是在应用的早期阶段，此时充电站还不像现在的加油站那样普遍存在。希望提供能够提供更长行驶距离和更短充电时间的电池组。此外，电池组驱动车辆经常需要在极端天气状况中，例如在北方冬季天气中的低温下运行。
面对这些要求，找到满足能量和动力要求的经济的电池组化学是一个挑战。长期以来一直需要在提供有利的动力输送、长行驶距离和快速充电的同时具有避免或最小化使用昂贵金属，如钴和其它贵金属的化学的电池组，以增进电池组的广泛使用，尤其是在车辆中。
概述
这一节提供本公开的一般概述并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。
本发明涉及以下内容：
[1]. 一种可再充电锂离子电池组，其包括：
正极，所述正极包含在充电状态下包含Li2MSiO4和在放电状态下包含MSiO4或LiMSiO4的正极电活性材料，其中M包含选自铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、镁(Mg)及其组合的金属；
包含磷烯的负极；
布置在正极与负极之间的隔离件；和
包含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
[2]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述金属是第一金属以使M包含第一金属(MI)并进一步包含选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属(MII)掺杂剂。
[3]. 根据[2]的可再充电锂离子电池组，其中M = MIx + MIIy，其中x大于或等于大约0.75且y小于或等于大约0.25。
[4]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述负极进一步包含与磷烯混合的导电碳粒子。
[5]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述有机溶剂包含有机醚化合物，其选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甘醇二甲醚（二甲氧基乙烷（DME））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。
[6]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述正极不含钴并且不含镍。
[7]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其具有大于或等于大约250 Wh/kg和大于或等于大约600 Wh/L的能量密度。
[8]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其具有大于或等于大约350 Wh/kg和大于或等于大约900 Wh/L的能量密度。
[9]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其具有至少3.7 mAh/cm2的面积容量并可在充电10分钟内充电到其满载容量的90%。
[10]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其能够实现在25℃下大于或等于大约4C的充电倍率。
[11]. 一种可再充电锂离子电池堆(rechargeable lithium ion batterystack)，其包括多个权利要求1的可再充电锂离子电池组。
[12]. 一种可再充电锂离子电池组，其包括：
正极，所述正极包含在充电状态下包含原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）和在放电状态下包含FeSiO4或LiFeSiO4的正极电活性材料；
包含磷烯的负极；
布置在正极与负极之间的隔离件；和
包含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
[13]. 根据[12]的可再充电锂离子电池组，其中所述正极电活性材料进一步包含选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属掺杂剂，第二金属掺杂剂以小于或等于正极电活性材料的大约25质量%存在。
[14]. 一种将可再充电锂离子电池组再充电的方法，其包括：
在小于或等于大约0℃的温度下通过将可再充电锂离子电池组连接到电源而将可再充电锂离子电池组充电，其中所述可再充电锂离子电池组包括：
正极，其包含在充电过程中从放电状态转变成充电状态的正极电活性材料，其中所述正极电活性材料在放电状态下包含FeSiO4或LiFeSiO4和在充电状态下包含原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）；
包含磷烯的负极；
布置在正极与负极之间的隔离件；和
包含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
[15]. 根据[14]的方法，其中在小于或等于大约-20℃的温度下进行充电。
[16]. 根据[14]的方法，其中在小于或等于大约-40℃的温度下进行充电。
[17]. 根据[14]的方法，其中所述溶剂选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甘醇二甲醚（二甲氧基乙烷（DME））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。
[18]. 根据[14]的方法，其中所述正极不含钴并且不含镍。
[19]. 根据[14]的方法，其进一步包括将可再充电锂离子电池组放电，其将正极从充电状态转变成放电状态，其中负极在充电和放电后基本没有析锂。
[20]. 根据[14]的方法，其中所述正极电活性材料进一步包含选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属掺杂剂，第二金属掺杂剂以小于或等于正极电活性材料的大约25质量%存在。
在某些变体中，本公开提供一种可再充电锂离子电池组，其包括正极，所述正极包括在充电状态下包括Li2MSiO4和在放电状态下包括MSiO4或LiMSiO4的正极电活性材料。M包括选自：铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、镁(Mg)及其组合的金属。所述电池组还包括含磷烯的负极。将隔离件布置在正极与负极之间。在所述电池组中还包括含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
在某些方面中，所述金属是第一金属以使M包括第一金属(MI)并进一步包括选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属(MII)掺杂剂。
在某些进一步方面中，M = MIx + MIIy，其中x大于或等于大约0.75且y小于或等于大约0.25。
在某些方面中，负极进一步包括与磷烯混合的导电碳粒子。
在某些方面中，所述有机溶剂包括有机醚化合物，其选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甘醇二甲醚（二甲氧基乙烷（DME））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。
在某些方面中，正极不含钴并且不含镍。
在某些方面中，所述电池组的能量密度大于或等于大约250 Wh/kg和大于或等于大约600 Wh/L。
在某些方面中，所述电池组的能量密度大于或等于大约350 Wh/kg和大于或等于大约900 Wh/L。
在某些方面中，所述电池组具有至少3.7 mAh/cm2的面积容量并可在充电10分钟内充电到其满载容量的90%。
在某些方面中，所述电池组能够实现在25℃下大于或等于大约4C的充电倍率。
在某些方面中，可再充电锂离子电池堆包括多个如上述任一变体中描述的可再充电锂离子电池组。
在某些其它变体中，提供一种可再充电锂离子电池组，其包括正极，所述正极包括在充电状态下包括原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）和在放电状态下包括FeSiO4或LiFeSiO4的正极电活性材料。负极包括磷烯。所述电池组还包括布置在正极与负极之间的隔离件。还提供含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
在某些方面中，正极电活性材料进一步包括选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属掺杂剂。第二金属掺杂剂以小于或等于正极电活性材料的大约25质量%存在。
在某些进一步变体中，一种将可再充电锂离子电池组再充电的方法包括在小于或等于大约0℃的温度下通过将可再充电锂离子电池组连接到电源而将可再充电锂离子电池组充电。所述可再充电锂离子电池组包括正极，其包括在充电过程中从放电状态转变成充电状态的正极电活性材料，其中所述正极电活性材料在放电状态下包括FeSiO4或LiFeSiO4和在充电状态下包括原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）。所述电池组还包括含磷烯的负极。将隔离件布置在正极与负极之间。所述电池组进一步包括含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
在某些方面中，在小于或等于大约-20℃的温度下进行充电。
在某些进一步方面中，在小于或等于大约-40℃的温度下进行充电。
在某些方面中，所述溶剂选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甘醇二甲醚（二甲氧基乙烷（DME））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。
在某些方面中，正极不含钴并且不含镍。
在某些方面中，该方法进一步包括将可再充电锂离子电池组放电，其将正极从充电状态转变成放电状态。负极在充电和放电后基本没有析锂（lithium plating）。
在某些方面中，所述正极电活性材料进一步包括选自：锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属掺杂剂。第二金属掺杂剂以小于或等于正极电活性材料的大约25质量%存在。
由本文中提供的描述显而易见其它适用领域。概述中的描述和具体实例仅意在举例说明而无意限制本公开的范围。
附图
本文中描述的附图仅用于举例说明所选实施方案而非所有可能的实施方案，并且无意限制本公开的范围。
图1是示例性电化学电池组电池的示意图。
图2是比较现有商业可再充电锂离子电池组与根据本公开的某些方面制备的可再充电锂离子电池组的能量密度 vs 面积容量（mAh/cm2）的曲线图。
详述
提供示例性实施方案以使本公开彻底并向本领域技术人员充分传达其范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组分、装置和方法的实例，以提供本公开的实施方案的充分理解。本领域技术人员显而易见的是，不需要使用具体细节，示例性实施方案可以具体体现为许多不同的形式，它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知方法、公知装置结构和公知技术。
本文所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案而无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是包容性的，因此规定了指定特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组分的存在，但不排除一种或更多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或其组合的存在或加入。尽管开放性术语“包含”应被理解为用于描述和请求保护本文所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面中，该术语可替代性被理解为更限制性和约束性的术语，如“由…构成”或“基本由…构成”。因此，对于列举了组合物、材料、组分、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施方案，本公开也明确包括由或基本由此类列举的组合物、材料、组分、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤构成的实施方案。在“由…构成”的情况下，该备选实施方案不包括任何附加组合物、材料、组分、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本由…构成”的情况下，这样的实施方案不包括实质影响基本和新颖特征的任何附加组合物、材料、组分、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但在实施方案中可包括不会实质影响基本和新颖特征的任何组合物、材料、组分、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应被解释为必定要求它们以所论述或例示的特定顺序实施，除非明确指定实施顺序。还要理解的是，除非另行指明，可以使用附加或替代的步骤。
当一个组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”、“接合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上时，其可以直接在另一组件、元件或层上、直接接合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可能存在中间元件或层。相反，当一个元件被提到“直接在”另一元件或层上、“直接接合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上时，不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释（例如“之间”vs“直接在...之间”，“相邻”vs“直接相邻”等）。本文所用的术语“和/或”包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管在本文中可能使用术语第一、第二、第三等描述各种步骤、元件、组分、区域、层和/或区段，但除非另行指明，这些步骤、元件、组分、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个步骤、元件、组分、区域、层或区段区别于另一步骤、元件、组分、区域、层或区段。除非上下文清楚地指示，如“第一”、“第二”之类的术语和其它序数术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组分、区域、层或区段可以被称为第二步骤、元件、组分、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了容易描述，在本文中可能使用空间上或时间上相对的术语，如“前”、“后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上”、“上部”等描述如附图中所示的一个元件或构件与另一元件或构件的关系。空间上或时间上相对的术语旨在包含除附图中描绘的取向外该装置或系统在使用或运行中的不同取向。
在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以包含与给定值的轻微偏差和大致具有所列值的实施方案以及确切具有所列值的实施方案。除了在详述最后提供的实施例中外，本说明书（包括所附权利要求书）中的参数（例如量或条件）的所有数值应被理解为在所有情况下被术语“大约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“大约”。“大约”是指指定数值允许一定的轻微不精确（接近该值的精确性；大致或合理地接近该值；几乎）。如果由“大约”提供的不精确性在本领域中不以这种普通含义理解，本文所用的“大约”至少是指可能由测量和使用此类参数的普通方法造成的变动。例如，“大约”可包含小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%和在某些方面中，任选小于或等于0.1%的变动。
此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对这些范围给出的端点和子范围。
现在参考附图更充分描述示例性实施方案。
本技术涉及可并入储能装置，如可用于车辆用途的可再充电锂离子电池组中的锂离子电化学电池。但是，本技术也可用于其它循环锂离子的电化学装置。提供了可表现出高能量容量和高功率容量以快速充电的可再充电锂离子电池组。
典型的锂离子电池组包含第一电极如正极或阴极，第二电极如负极或阳极、电解质材料和隔离件。在电化学装置中通常电连接锂离子电池组电池的堆叠体以提高总输出。锂离子电池组通过在负极与正极之间可逆传送锂离子来工作。在负极与正极之间安置隔离件和电解质。电解质适合传导锂离子并可以是固体或液体形式。锂离子在电池组充电过程中从阴极（正极）移向阳极（负极）并在电池组放电时反向移动。堆叠体内的负极和正极各自连向集流体（通常是金属，如用于阳极的铜和用于阴极的铝）。在电池组使用过程中，与这两个电极关联的集流体通过外电路连接以允许由电子生成的电流在电极之间传送以补偿锂离子的传送。
负极可包括嵌锂材料或合金主体材料。对于混合动力汽车和电动汽车，用于形成负极/阳极的最常见的电活性材料是充当锂-石墨插层化合物的石墨。由于其理想地高的比容量（大约350 mAh/g），石墨是常用的负极材料。
但是，当使用石墨作为锂离子电池组中的负极时，在锂离子电池组的快速充电过程中，例如当负极处的电位接近0 V vs 锂金属参考点（电位vs Li/Li+）时，可发生析锂。析锂可造成负极中的性能损失并相信在锂离子作为金属锂沉积在电极表面上而非嵌入或分布在电极内的电活性材料内时发生。对于石墨负极，这一现象可出现在各种条件下，包括快速充电过程（其中石墨在较低电位下工作并因此可经受接近0 V的电压）或在低温充电过程中。如上文论述，希望具有可表现出高能量/高比容量以及高功率/快速充电能力的负极，尤其是用于插电式混合动力汽车和电动汽车用途，其中在充电站快速充电是理想的。
锂离子电池组20的示例性示意图显示在图1中。锂离子电池组20包括负极22、正极24和置于两个电极22, 24之间的多孔隔离件26（例如微孔或纳孔聚合物隔离件）。多孔隔离件26包括电解质30，其也可存在于负极22和正极24中。负极集流体32可安置在负极22处或附近，正极集流体34可安置在正极24处或附近。尽管未显示，负极集流体和正极集流体可如本领域中已知在一面或两面上被涂布。在某些方面中，集流体可在两面上都被活性材料/电极层涂布。负极集流体32和正极集流体34分别收集并向和从外电路40传送自由电子。可中断的外电路40和载荷42连接负极22（通过其集流体32）和正极24（通过其集流体34）。
通过设置在负极22和正极24之间以防止物理接触并因此防止发生短路，多孔隔离件26既充当电绝缘体，又充当机械载体。多孔隔离件26除提供两个电极22、24之间的物理屏障外还可提供用于在锂离子循环过程中内部传送锂离子（和相关阴离子）的最小阻力路径以促进锂离子电池组20的工作。
当负极22含有相对大量的可循环锂时，锂离子电池组20可在放电过程中通过在外电路40关闭（以连接负极22和正极24）时发生的可逆电化学反应生成电流。正极24和负极22之间的化学势差驱使在负极22处通过锂（例如嵌入锂）的氧化生成的电子经由外电路40送往正极24。也在负极处生成的锂离子同时经由电解质30和多孔隔离件26送往正极24。电子流经外电路40且锂离子穿过在电解质30中的多孔隔离件26迁移以在正极24处形成嵌入或合金化的锂。可以利用经过外电路40的电流并导过载荷装置42直至耗尽负极22中的嵌入锂且锂离子电池组20的容量降低。
锂离子电池组20可随时通过将外部电源（例如充电装置）连向锂离子电池组20来充电或重新供能以逆转在电池组放电过程中发生的电化学反应。外部电源连向锂离子电池组20迫使在正极24处的锂（例如嵌入锂）的原本非自发氧化产生电子和锂离子。经由外电路40流回负极22的电子和被电解质30携带穿过隔离件26送回负极22的锂离子在负极22处再结合并为其补充锂以在下一电池组放电循环的过程中消耗。因此，各放电和充电事件被视为一个周期，其中锂离子在正极24和负极22之间循环。
可用于将锂离子电池组20充电的外部电源可随锂离子电池组20的尺寸、构造和特定最终用途而变。一些著名和示例性的外部电源包括但不限于AC电源，如AC墙壁插座和机动车交流发电机。在许多锂离子电池组配置中，负极集流体32、负极22、隔离件26、正极24和正极集流体34各自作为相对薄层（例如厚度为几微米至毫米或更小）制备并作为以电串联和/或并联布置连接的层组装以提供合适的电能和动力组。
此外，锂离子电池组20可包括尽管在此没有描绘但为本领域技术人员已知的各种其它组件。例如，作为非限制性实例，锂离子电池组20可包括外壳、垫圈、端盖、极耳、电池组端子和可位于电池组20内，包括位于负极22、正极24和/或隔离件26之间或附近的任何其它常规组件或材料。如上所述，锂离子电池组20的尺寸和形状可随其被设计所针对的特定用途而变。电池组驱动车辆和手持消费电子设备例如是两个实例，其中锂离子电池组20最可能设计成不同的尺寸、容量和功率输出规格。如果载荷装置42需要，锂离子电池组20也可与其它类似的锂离子电池或电池组串联或并联以产生更大的电压输出、能量和功率。
因此，锂离子电池组20可以向可切实连向外电路40的载荷装置42生成电流。尽管载荷装置42可以是任何数目的已知的电动装置，但耗电载荷装置的若干具体实例包括混合动力车辆或全电动车的发电机、笔记本电脑、平板电脑、移动电话和无绳电动工具或器具，作为非限制性实例。载荷装置42也可以是将锂离子电池组20充电以用于存储电能的发电装置。在某些其它变体中，电化学电池可以是超级电容器，如锂离子基超级电容器。
电解质
再参照图1，在锂离子电池组20中可以使用能在负极22和正极24之间传导锂离子的任何适当的电解质30，无论是固体形式还是溶液。在某些方面中，电解质30可以是包括溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐的非水液体电解质溶液。在锂离子电池组20中可以使用许多常规非水液体电解质30溶液。适当的锂盐通常具有惰性阴离子。可溶解在有机溶剂中以形成非水液体电解质溶液的锂盐的非限制性名单包括六氟磷酸锂（LiPF6）；高氯酸锂（LiClO4）；四氯铝酸锂（LiAlCl4）；碘化锂（LiI）；溴化锂（LiBr）；硫氰酸锂（LiSCN）；四氟硼酸锂（LiBF4）；二氟草酸根合硼酸锂（LiBF2(C2O4)）（LiODFB）、四苯基硼酸锂（LiB(C6H5)4）；双(草酸根合)硼酸锂（LiB(C2O4)2）（LiBOB）；四氟草酸根合磷酸锂（LiPF4(C2O4)）（LiFOP）、硝酸锂（LiNO3）、六氟砷酸锂（LiAsF6）；三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3）；双(三氟甲磺酰亚氨基)锂（LITFSI）（LiN(CF3SO2)2）；氟磺酰亚氨基锂（LiN(FSO2)2）（LiFSI）；及其组合。在某些变体中，锂盐选自LiPF6、LiFSI、LiTFSI及其组合。电解质可包含1 M锂盐浓度。在一些实施方案中，可以使用常规电解质组合物，如LiPF6在有机溶剂中的1摩尔溶液。
可将这些锂盐溶解在各种有机溶剂中。在本教导的某些方面中，有机溶剂被选为有机醚化合物。例如，醚可包括二甲基醚、甘醇二甲醚（乙二醇二甲基醚或二甲氧基乙烷（DME，例如1,2-二甲氧基乙烷））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚或双(2-甲氧基乙基)醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、附加的链结构醚，如1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、1,3-二甲氧基丙烷（DMP），环醚，如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合。在某些变体中，有机醚化合物选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、二甲氧基乙烷（DME）、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。
碳酸酯基溶剂可包括各种碳酸烷基酯，如环状碳酸酯（例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯）和无环碳酸酯（例如碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯（EMC））。醚基溶剂包括环醚（例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环）和链结构醚（例如1,2-二甲氧基乙烷、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷）。
在各种实施方案中，除上述这些外，适当的溶剂可选自碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、二甲亚砜、乙腈、硝基甲烷及其混合物。
隔离件
多孔隔离件26在某些情况下可包括包含聚烯烃的微孔聚合物隔离件（包括由均聚物（衍生自单一单体成分）或杂聚物（衍生自多于一种单体成分）制成的那些），其可以是直链或支链的。在某些方面中，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PE和PP的共混物，或PE和/或PP的多层结构化多孔膜。市售聚烯烃多孔隔离件26膜包括可获自Celgard LLC的CELGARD® 2500（单层聚丙烯隔离件）和CELGARD® 2320（三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离件）。
当多孔隔离件26是微孔聚合物隔离件时，其可以是单层或多层层压材料。例如，在一个实施方案中，聚烯烃单层可形成整个微孔聚合物隔离件26。在另一些方面中，隔离件26可以是具有在相对表面之间延伸的大量孔隙的纤维膜并可具有例如小于1毫米的厚度。但是，作为另一实例，可以组装类似或不同聚烯烃的多个分立层以形成微孔聚合物隔离件26。代替或除了聚烯烃，微孔聚合物隔离件26还可包括其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚酰胺（尼龙）、聚氨酯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES）、聚酰亚胺（PI）、聚酰胺-酰亚胺、聚醚、聚甲醛（例如缩醛）、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚丁烯、聚甲基戊烯、聚烯烃共聚物、丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）、聚苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚硅氧烷聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS））、聚苯并咪唑（PBI）、聚苯并噁唑（PBO）、聚苯、聚芳醚酮、聚全氟环丁烷、聚偏二氟乙烯共聚物（例如PVdF – 六氟丙烯或(PVdF-HFP)）和聚偏二氟乙烯三元共聚物、聚氟乙烯、液晶聚合物（例如VECTRANTM（Hoechst AG, Germany）和ZENITE®（DuPont,Wilmington, DE））、聚芳酰胺、聚苯醚、纤维素材料、介孔二氧化硅和/或其组合。
此外，多孔隔离件26可与陶瓷材料混合或其表面可用陶瓷材料涂布。例如，陶瓷涂层可包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或其组合。设想了用于形成隔离件26的各种常规可得的聚合物和商品，以及可用于制造这样的微孔聚合物隔离件26的许多制造方法。
正极
正极24可由在充当锂离子电池组20的正端子的同时可充分发生锂嵌脱或合金化和脱合金的锂基活性材料形成。正极24可包含粘合剂以助于电极的完整性。正极可进一步包含导电粒子，如石墨粒子、石墨或碳纤维、碳原纤、碳晶须、炭黑、银粒子等以改进该电极中的电传导。
负电活性材料可包含Li2MSiO4，其中M选自：铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、镁(Mg)及其组合。在某些变体中，M包含至少铁(Fe)。在某些方面中，金属中心(M)可包括如上文对第一(primary)金属MI描述的M，但可被第二掺杂剂金属MII掺杂。掺杂剂金属MII可选自IUPAC周期表第4族的金属，如锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合。在某些方面中，掺杂剂金属的浓度等于或低于金属(M)总量的大约25%，以使M = MIx + MIIy，其中x大于或等于大约0.75且y小于或等于大约0.25。
在某些变体中，正极包含在充电状态下含有原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）的电活性材料，而电活性材料在放电状态下失去1至2个锂离子以产生LiFeSiO4或FeSiO4。有利地，正极电活性材料可不含钴(Co)和镍(Ni)。在某些方面中，包含原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）的正极电活性材料可进一步包含选自：锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属掺杂剂。如上所述，第二金属掺杂剂可以小于或等于正极电活性材料的大约25质量%存在。这样的掺杂剂金属可因此形成金属硅酸盐。
可再充电电池也可具有进一步包含微米碳或纳米碳的正极。在某些方面中，正极可具有与可为微米碳或纳米碳材料的导电碳粒子一起的电活性材料。微米碳或纳米碳是指包含碳的导电粒子存在于正极中。导电粒子可具有在微米或纳米范围内的平均粒径。硅酸盐粒子可通过共沉淀或固态反应合成。与常规电极制造法类似，可将硅酸盐粒子与聚合物粘合剂（如PVDF）、导电添加剂（如炭黑）和有机溶剂（如NMP）混合以制造浆料并浇注在集流体上。
本文所用的“微粒”包含如下文论述的“纳米粒子”。在本教导的某些变体中，微粒组分具有至少一个小于大约1,000 µm（即1 mm）的空间维度。本文所用的术语“微米级”或“微米尺寸”通常被本领域技术人员理解为是指小于大约500 µm（即0.5 mm）、任选小于或等于大约100 µm（即0.1 mm）、任选小于大约10 μm（即10,000 nm）、任选小于大约5 μm（即5,000 nm）和任选小于大约1 μm（即1,000 nm）。
“纳米级”或“纳米尺寸”粒子具有至少一个小于大约1 µm（即1,000 nm）、任选小于大约0.5 µm（即500 nm）、任选小于大约0.4 µm（即400 nm）、任选小于大约0.3 µm（即300nm）、任选小于大约0.2 µm（即200 nm）和在某些变体中，任选小于大约0.1 µm（即100 nm）的空间维度。相应地，纳米粒子组分具有至少一个大于大约1 nm和小于大约1,000 nm（1 μm）的空间维度。
正极24可包括聚合物粘合剂材料以在结构上加强锂基活性材料。正极24电活性材料可进一步包括包含一种或多种过渡金属，如锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、钒(V)及其组合的化合物。但是，在某些变体中，正极24不含所选金属，如镍(Ni)和钴(Co)。
这样的电活性材料可与任选导电材料（例如粒子）和至少一种聚合物粘合剂共混，例如通过将活性材料和任选导电材料粒子与此类粘合剂，如聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚(偏二氯乙烯)（PVC）、聚((二氯-1,4-亚苯基)乙烯)、羧甲氧基纤维素（CMC）、丁腈橡胶（NBR）、氟化聚氨酯、氟化环氧化物、氟化丙烯酸系树脂、卤代烃聚合物的共聚物、环氧化物、乙烯丙烯二胺三元共聚单体橡胶（EPDM）、六氟丙烯（HFP）、乙烯丙烯酸共聚物（EAA）、乙烯乙酸乙烯酯共聚物（EVA）、EAA/EVA共聚物、PVDF/HFP共聚物、聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠、藻酸锂及其组合一起淤浆浇注。
导电材料可包括石墨、其它碳基材料、导电金属或导电聚合物粒子。碳基材料可包括，作为非限制性实例，KETCHENTM黑、DENKATM黑、乙炔黑、炭黑之类的粒子。导电金属粒子可包括镍、金、银、铜、铝等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面中，可以使用导电材料的混合物。正极集流体34可由铝或本领域技术人员已知的任何其它适当的导电材料形成。如上所述，正极集流体34可在一面或多面上被涂布。
负极
在各种方面中，负极22包括电活性材料作为能够充当锂离子电池组的负端子的锂主体材料。负极插层材料的性质影响电池组的所得电压，因为电压是阴极和阳极处的半电池电位之间的差值。合适的负极锂插层组合物可包括例如石墨、合成石墨、焦炭、富勒烯、五氧化二铌、锡合金、硅、氧化钛、氧化锡和氧化锂钛如LixTiO2，0.5<<x≤1或Li1+xTi2-xO4，0≤x≤⅓。如上文论述，合成石墨已用作负极活性材料，但在某些条件下，如在快速充电（充电倍率>3C）下倾向于不合意地析锂。硅也是有前途的负极电活性材料，但其低循环效率、在嵌锂和脱锂过程中体积膨胀和收缩的倾向和短寿命对其广泛应用而言仍是挑战。
因此，根据本公开的某些方面，负极包含含磷的电活性材料。在某些变体中，电活性材料包含磷烯。磷烯可被视为黑磷的单层，大致就像石墨烯是石墨的单层一样。磷烯具有大约2600 mAh/g的理论电流密度和大约0.8 V的平均电压。相信磷烯阳极的高嵌入容量（以提供高能量密度）和高电压（以避免析锂）有助于电池组的有利性质。
本文所述的负极可并入各种商业电池组电池设计中。尽管该负极可用在用于一次或单次充电用途的电池组中，但所得电池组通常具有经电池的多次循环用于二次电池组用途的理想循环性质。电池组电池可包含单个负极结构或以并联和/或串联电连接组装的多个负极结构。例如，本文所述的电极可以堆叠，在它们之间具有隔离件，并可将所得堆叠结构卷绕成圆柱形、方形或其它合理的配置以形成电池组结构。可将适当的导电极耳焊接或以类似方式连接到集流体上，并可将所得卷筒(jellyroll)或堆叠结构置于金属罐或可为柔性的聚合物封装中，将负极耳和正极耳焊接到适当的外部接点。将电解质添加到罐或封装中，并密封罐或封装以完成电池组。
在某些变体中，负极22包含磷烯。在另一些变体中，负极22可包括电活性锂主体材料，例如磷烯，和任选另一导电材料，以及一种或多种聚合物粘合剂材料以在结构上将锂主体材料保持在一起。在某些变体中，负极包括与磷烯混合的导电碳粒子，如微米碳或纳米碳材料。负极电活性材料和导电粒子可与作为非限制性实例选自：聚偏二氟乙烯（PVdF）、乙烯丙烯二烯单体（EPDM）橡胶或羧甲氧基纤维素（CMC）、丁腈橡胶（NBR）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠、藻酸锂及其组合的粘合剂材料共混。合适的导电粒子可包括选自碳基材料、导电金属、导电聚合物及其组合的材料，包括含碳的微粒和纳米粒子。碳基材料可包括作为，非限制性实例，KETCHENTM黑、DENKATM黑、乙炔黑、炭黑之类的粒子。导电金属粒子可包括镍、金、银、铜、铝等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面中，可以使用导电粒子材料的混合物。
在某些替代性的实施方案中，负极22可进一步包括包含含碳化合物，如石墨、硅(Si)、钛(Ti)、锡(Sn)或其它负极粒子的负极电活性材料。
电极构造
正极活性组合物通常是在相应电极中用聚合物粘合剂保持在一起的粉末组合物。当与电解质接触时，粘合剂为活性粒子提供离子导电性。上文描述了合适的聚合物粘合剂并包括例如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚环氧乙烷、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、橡胶，例如乙烯-丙烯-二烯单体（EPDM）橡胶或苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）、它们的共聚物及其混合物。粘合剂中的正极活性材料载量可以大，如大于大约80重量%。例如，粘合剂可以大于或等于大约1至小于或等于大约20重量%，或更窄地，大于或等于大约1至小于或等于大约10%、大于或等于大约1至小于或等于大约8%、大于或等于大约1至小于或等于大约5%、大于或等于大约1至小于或等于大约7%、大于或等于大约1至小于或等于大约5%、和任选大于或等于大约1至小于或等于大约3重量%粘合剂的含量存在。为了形成电极，可以在合适的液体，如用于该聚合物的溶剂中将粉末与该聚合物共混。可将所得糊料压制成电极结构。
正极组合物通常还包含与如上文论述的电活性组合物不同的导电粉末。尽管本文中描述的金属合金/金属间组合物通常在负极结构内提供导电性，负极可任选进一步包含补充导电粉末，如上述导电粉末。在一些实施方案中，负极包含小于或等于大约15重量%补充导电粉末，在另一些实施方案中小于或等于大约10重量%，和在附加实施方案中大于或等于大约0.5至小于或等于大约8重量%补充导电粉末。尽管补充导电组合物被描述为粉末，但这些材料在并入电极后失去它们的粉末特征，其中补充导电材料的相关粒子变成所得电极结构的组分。
集流体
正极和负极通常与导电集流体关联以促进电子在电极和外电路之间流动。集流体可包含金属，如金属箔、金属网格或筛网、或网形金属（expanded metal）。网形金属集流体是指具有更大厚度的金属网格以将更大量的电极材料置于金属网格内。在一些实施方案中，集流体可由镍、铝、不锈钢、钛等形成。可与集流体接触铸造电极材料。
例如，在一些实施方案中，可对与集流体箔或其它结构接触的电极材料施以大约2至大约10 kg/cm2的压力。压制的结构可以例如在炉中干燥，以从电极中除去溶剂。可以使用金属箔作为集流体。例如，可以使用铜箔作为负极的集流体，并且可以使用铝箔作为正极集流体。可将活性材料的糊料或浆料涂布到箔的两面上。在替代性变体中，可将活性材料的膜或层涂布到集流体上。然后，可以使用压延辊、具有模头的压机或其它合适的加工装置压制电极以将电极压缩到所需厚度。正极可具有20 mg/cm2至50 mg/cm2的在集流体的每侧上的活性材料粒子载量。正极可具有至少2.5 克（grains）/毫升（g/mL），在进一步实施方案至少大约2.8 g/ml和在附加实施方案中大约3.0 g/mL至大约3.5 g/mL的密度。本领域普通技术人员会认识到，设想了在上述明确范围内的活性材料载量的另外范围并且在本公开内。
在一些实施方案中，负极可在电极组合物与集流体的接触以及干燥和压制所得结构方面类似地制备。
电池设计
本文所述的电极可并入各种商业电池设计中。例如，该阴极组合物可用于方形电池、卷绕圆柱形电池、钮扣电池、软包电池（pouch cells）或其它合理的电池形状。电池可包含单个各极性的电极结构或具有以并联和/或串联电连接组装的多个正极和负极的堆叠结构。特别地，电池组可包含交替的正极和负极的堆叠体，在它们之间具有隔离件。通常，并联多个电极以提高在由一对正极和负极建立的电压下的电流。尽管该正极活性材料可用在用于一次或单次充电用途的电池组中，但所得电池组通常具有经电池的多次循环用于二次电池组用途的理想循环性质。
在一些实施方案中，正极和负极可以堆叠，在它们之间具有隔离件，并可将所得堆叠结构卷绕成圆柱形或方形配置以形成电池组结构。可将适当的导电极耳焊接或以类似方式连接到集流体上，并可将所得卷筒结构置于金属罐或聚合物封装中，将负极耳和正极耳焊接到适当的外部接点。将电解质添加到罐中，并密封罐或封装以完成电池组。
锂离子电池组
本文所述的电池组通常是锂离子电池组，其中非水电解质通常包含锂离子。对于二次锂离子电池组，在放电过程中从负极释放锂离子以使负极在放电过程中起到阳极的作用，在从该电极释放锂后由锂的氧化生成电子。相应地，正极在放电过程中通过插层、合金化等吸取锂离子以使正极起到阴极的作用，其消耗电子以中和锂离子。在二次电池再充电后，经过电池的锂离子流反转，负极吸取锂，且正极作为锂离子释放锂。
电池组可具有层压电池结构，包含阳极或负极层22、阴极或正极层24和在负极22与正极24层之间的电解质/隔离件26、30。负极22和正极24层各自包含集流体（负极集流体32和正极集流体34）。负极阳极集流体32可以是铜集电箔，其可以是开放网格或薄膜的形式。集流体可连接到外部集流体极耳。负极和正极集流体32、34可分别在两面上都被阴极和阳极层涂布（双面涂布）。
快速充电电池组
在各种方面中，本文所述的新型电池组/电池化学可经济地提供高能量密度、快速充电能力和最小化或无析锂(Li)。
相信本公开的某些实施方案提供电极活性材料（例如Li2FeSiO4和磷烯）和电解质，尤其是电解质溶剂（例如醚基有机溶剂）的协同作用，这导致在包含根据本公开的各个方面的电极和电解质的电池和电池组中所见的出乎意料的优点。运行过程中的较低电池电压能使电解质选择更宽（包括醚基电解质）以实现低温性能（小于或等于大约-40℃）和快速充电倍率。
对于阳极（即负极，其在放电时为阳极），在某些方面中，将磷烯作为插层材料并入电极中。其表现出大约2600 mAh/g的电流密度并具有平均电压0.8 V。由于高电压，最小化或避免常见的析锂问题。在某些变体中，在充电和放电循环过程中的锂离子循环后，负极可基本没有析锂，意味着避免与析锂相关的有害效应，如显著容量损失。此外，固体电解质相界面（SEI）的生成最小化。这种包含磷烯的负极使得能够超快速充电，并且在使用中比某些其它插层材料便宜。
在某些方面中，阴极（即正极，其在放电时为阴极）含有Li2MSiO4作为活性材料，其中M含有至少铁(Fe)。
关于电解质，较低电池电压能使电解质选择更宽以实现低温性能（<-40℃）和快速充电。特别地，该电池化学允许在电解质中使用醚化合物。这些倾向于具有较低粘度，以允许电池组/电池在小于或等于大约-20℃或甚至小于或等于大约-40℃的温度下工作。
有利地，根据本公开的某些方面的新型电池组化学为电池组提供高能量密度以延长行驶距离。在某些变体中，该电池组具有大于或等于大约250 Wh/kg和任选大于或等于大约350 Wh/kg的能量密度。在另一些变体中，该电池组具有大于或等于大约600 Wh/L和任选大于或等于大约900Wh/L的能量密度。这代表与现有电池组相比高达50%提高。通过兼具高能量密度（用于长距离）和功率密度（用于快速充电），用该新型化学有可能在10分钟充电时间内行驶400英里。
原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）可通过湿化学法（如共沉淀、微波水热/溶剂热法、溶胶-凝胶等）或固态反应制造。负极中的磷烯可通过高速球磨或高压以将红磷转化成黑磷（磷烯）来合成。
本公开的某些方面提供的可再充电锂离子电池组电池也快速充电。当该电池具有至少3.7 mAh/cm2的面积容量时，其可在充电10分钟内充电到其满载容量的90%。
由此，根据本公开的某些方面制备的可再充电锂离子电化学电池能在25℃下以大于或等于大约4C的倍率充电，其中1C倍率会在1小时内将电极从零充电状态充电到100%充电状态。换言之，设想了实现快速充电能力和高能量密度的可再充电锂离子电池组，其中高功率容量电活性材料，如磷烯充当快速充电的载体，而高能量容量电活性材料，如Li2FeSiO4充当高能量密度的载体。
本教导还提供包含多个本文所述的可再充电电池的可再充电锂离子电池组。在某些实施方案中，根据本公开的可再充电锂离子电池组能在小于或等于大约15分钟内从0%充电到80%充电状态（SOC）。在一个实例中，根据本教导的某些方面制备的可再充电锂离子电池组可在10分钟内充电以在重量超过3,500磅的车辆中存储用于行驶400英里的能量。
本公开还设想了一种在低温下将可再充电锂离子电池组再充电的方法。在某些方面中，该方法包括在小于或等于大约0℃的温度下通过将可再充电锂离子电池组连接到电源而将可再充电锂离子电池组充电。该可再充电锂离子电池组包含正极，其包含在充电过程中从放电状态转变成充电状态的正极电活性材料，其中正极电活性材料在放电状态下包含FeSiO4或LiFeSiO4和在充电状态下包含原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）。该锂离子电池组还包含含磷烯的负极、布置在正极与负极之间的隔离件和含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在充电过程中在正极和负极之间传递锂离子。该方法还可包括例如通过将锂离子可再充电电池组连接到外部载荷而将锂离子可再充电电池组放电，其中正极电活性材料在放电过程中从充电状态转变回放电状态。可在多次循环的过程中重复这一过程。
在某些方面中，如上文论述，负极基本没有析锂。
在某些方面中，在小于或等于大约-20℃的温度下和任选在小于或等于大约-40℃的温度下进行充电，因为该电池组电池能够在电解质中使用低粘度醚溶剂。因此，电解质的组成可以是上述描述的任一种，例如，有机溶剂可包含二甲醚、甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚或其组合。在某些方面中，正极不含钴并且不含镍。
使用这些教导的锂离子电池组的各种方面的进一步描述如下。
实施例
图2是能量密度（y轴标为100）vs 面积容量（mAh/cm2）（x轴标为110）的曲线图，其比较具有含镍金属钴活性材料（NMC – 氧化镍-锰-钴（LiNiMnCoO2））的正极和石墨负极的现有商业可再充电锂离子电池组对比例（标为120）的预测性能的计算结果。根据本公开的某些方面制备的可再充电锂离子电池组（标为122）具有在充电状态下含原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）的正极和含磷烯的负极。实施例可再充电锂离子电池组122中的正极不含昂贵的元素，如钴或镍。可以看出，根据本公开的某些方面制备的实施例电池122的能量密度具有比对比电池120高的每面积容量的能量密度（以Wh/L和Wh/kg计都高）。
为了举例说明提供实施方案的上述描述。其无意穷举或限制本公开。一个特定实施方案的各元素或特征通常不限于该特定实施方案，而是如果适用，可互换并可用于所选实施方案，即使没有明确展示或描述。其也可以许多方式改变。这样的变动不应被视为背离本公开，所有这样的修改旨在包含在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种可再充电锂离子电池组，其包括：
正极，所述正极包含在充电状态下包含Li2MSiO4和在放电状态下包含MSiO4或LiMSiO4的正极电活性材料，其中M包含选自铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、镁(Mg)及其组合的金属；
包含磷烯的负极；
布置在正极与负极之间的隔离件；和
包含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
2.权利要求1的可再充电锂离子电池组，其中所述金属是第一金属以使M包含第一金属(MI)并进一步包含选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属(MII)掺杂剂。
3.权利要求2的可再充电锂离子电池组，其中M = MIx + MIIy，其中x大于或等于大约0.75且y小于或等于大约0.25。
4.权利要求1的可再充电锂离子电池组，其中所述负极进一步包含与磷烯混合的导电碳粒子。
5.权利要求1的可再充电锂离子电池组，其中所述有机溶剂包含有机醚化合物，其选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甘醇二甲醚（二甲氧基乙烷（DME））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。
6.权利要求1的可再充电锂离子电池组，其中所述正极不含钴并且不含镍。
7.权利要求1的可再充电锂离子电池组，其任选具有：
大于或等于大约250 Wh/kg和大于或等于大约600 Wh/L的能量密度；
至少3.7 mAh/cm2的面积容量并可在充电10分钟内充电到其满载容量的90%；或
能够实现在25℃下大于或等于大约4C的充电倍率。
8.一种可再充电锂离子电池堆，其包括多个权利要求1的可再充电锂离子电池组。
9.一种可再充电锂离子电池组，其包括：
正极，所述正极包含在充电状态下包含原硅酸锂铁(II)（Li2FeSiO4）和在放电状态下包含FeSiO4或LiFeSiO4的正极电活性材料；
包含磷烯的负极；
布置在正极与负极之间的隔离件；和
包含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。
10.权利要求9的可再充电锂离子电池组，其中所述正极电活性材料进一步包含选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属掺杂剂，第二金属掺杂剂以小于或等于正极电活性材料的大约25质量%存在。
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