CN112448047A - 预锂化电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了预锂化电极的方法。本公开提供了在包括至少一个电极的电化学电池中补偿由循环诱导的锂消耗所导致的容量损失的方法。这样的方法可以包括将锂化添加剂添加到所述至少一个电极中以产生锂源。所述锂源补偿循环诱导的锂化损失，使得具有锂化添加剂的电化学电池经历小于或等于锂循环之前的初始容量的大约5%的总容量损失。锂化添加剂包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr=Liy‑uSiOz，且其中0≤y≤3.75，0≤z≤2，并且u是y的可用部分，0≤u≤y。锂源可以包含
Figure 22133DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，其中0≤m≤4.4。

Description

预锂化电极的方法
技术领域
本公开涉及预锂化电极、包含预锂化电极的电化学电池以及其制造方法。
背景技术
本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
需要先进的储能装置和系统以满足多种产品的能量和/或动力要求，所述产品包括汽车产品，如启停系统（例如12V启停系统）、电池辅助系统、混合动力电动车（“HEV”）和电动车（“EV”）。典型的锂离子电池包括至少两个电极和电解质和/或隔膜。两个电极之一充当正极或阴极，另一电极充当负极或阴极。隔膜和/或电解质可以设置在负极与正极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子，并且类似于两个电极，可以为固体和/或液体形式和/或其混合。在固态电池（其包括固态电极和固态电解质）的情况下，固态电解质可以物理分隔电极，由此不需要区分的隔膜。
传统的可再充电锂离子电池通过在负极与正极之间可逆地来回传递锂离子来运行。例如，在电池充电过程中，锂离子可以从正极移动至负极，当电池放电时则以相反的方向移动。此类锂离子电池可以按需向相关联的负载设备可逆地供电。更具体而言，可以通过锂离子电池向负载设备提供电力，直到负极的锂含量被有效耗尽。然后，可以通过在电极之间以相反的方向通入合适的直流电来将该电池再充电。
在放电过程中，负极可以含有相对较高浓度的嵌入锂，其被氧化成锂离子和电子。锂离子可以例如通过插入的多孔隔膜的孔隙内所含的离子导电电解质溶液从负极移动到正极。同时，电子从负极通过外部电路传送至正极。这样的锂离子可以通过电化学还原反应被吸收到正极材料中。可以通过外部电源在电池的可用容量部分或完全放电后将该电池再充电或再生，这逆转了放电过程中发生的电化学反应。
但是，在各种情况下，例如由于在首次循环过程中在负极上形成了固体电解质中间相（SEI）层，以及由于连续固体电解质中间相破裂而导致的持续的锂损失，一部分嵌入锂在首次循环后残留在负极中。锂离子的这种永久损失可能导致电池中的比能量和比功率降低，这是由于不参与电池的可逆运行的正极质量增加。例如，锂离子电池在首次循环后可能经历大于或等于大约5%至小于或等于大约30%的不可逆容量损失。因此，期望开发能够解决这些挑战的改进电极和制造用于电化学电池的改进电极的方法。
发明内容
本部分提供本公开的总体概述，而并非其全部范围或其全部特征的全面公开。
在各个方面，本公开提供了在包括至少一个电极的电化学电池中补偿由循环诱导的锂消耗所导致的容量损失的方法。该方法包括将锂化添加剂添加到所述至少一个电极中以产生锂源，所述锂源补偿当在所述电化学电池中循环锂时发生的循环诱导的锂损失，使得电化学电池经历任何锂循环之前的初始容量的小于或等于大约5%的总容量损失。锂化添加剂包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。
在一方面，锂源可以包含
Figure 467992DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，其中0 ≤ m ≤ 4.4。
在一方面，至少一个电极可以包含大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂。
在一方面，该方法可以进一步包括在包含氧的环境中将锂化添加剂与电活性材料和集流体组合，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点。
在一方面，将锂化添加剂与电活性材料组合可以包括将大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂与大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的电活性材料混合并将该混合物设置在集流体的第一表面上。
在一方面，将锂化添加剂与电活性材料组合可以包括形成与集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，并在锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。
在一方面，锂化层可以具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约10 µm的厚度；且电活性层可以具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 nm的厚度。
在一方面，电活性材料可以选自：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、硫化铁（FeS）及其组合。
在一方面，该方法可以进一步包括在电化学电池中循环锂。
在各个其它方面，本公开提供了形成用于并入电化学电池的预锂化电极的方法。该方法可以包括在包含氧的环境中将锂化添加剂与电活性材料和集流体组合，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点。锂化添加剂可以包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。
在一方面，组合可以包括将大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂与大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的电活性材料混合并将该混合物设置在集流体的第一表面上。
在一方面，组合可以包括形成与集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，并在锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。
在一方面，锂化层可以具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约20 µm的厚度；且电活性层可以具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 µm的厚度。
在一方面，电活性材料可以选自：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、硫化铁（FeS）及其组合。
在一方面，锂化添加剂可以包括锂源。锂源可以包含
Figure 332043DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，其中0 ≤ m≤ 4.4。该电极可以具有小于或等于在电化学电池中循环锂之前的初始容量的大约5%的容量损失。
在各个其它方面，本公开提供了形成用于电化学电池的预锂化电极的方法。该方法包括在包含氧的环境中形成与集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点。该方法可以进一步包括在锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。锂化添加剂可以包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。
在一方面，锂化层可以具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约20 µm的厚度和锂源。锂源可以包含
Figure 615257DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，且0 ≤ m ≤ 4.4。
在一方面，电活性层可以具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 µm的厚度，且电活性层可以包括选自以下的一种或多种电活性材料：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、FeS及其组合。
在一方面，预锂化电极可以包括大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂和大于或等于大约1重量%至小于或等于大约95重量%的一种或多种电活性材料。
本发明公开了以下实施方案：
方案1. 在包括至少一个电极的电化学电池中补偿由循环诱导的锂消耗所导致的容量损失的方法，所述方法包括：
将锂化添加剂添加到所述至少一个电极中以产生锂源，所述锂源补偿当在所述电化学电池中循环锂时发生的循环诱导的锂化损失，使得所述电化学电池经历小于或等于在所述电化学电池中循环锂之前的初始容量的大约5%的总容量损失，其中所述锂化添加剂包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中所述锂源包含
Figure 172140DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，其中0 ≤ m≤ 4.4。
方案3. 根据方案1所述的方法，其中所述至少一个电极包含大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂。
方案4. 根据方案1所述的方法，其中所述方法进一步包括在包含氧的环境中将锂化添加剂与电活性材料和集流体组合，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点。
方案5. 根据方案4所述的方法，其中所述组合包括将大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂与大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的电活性材料混合并将混合物设置在所述集流体的第一表面上。
方案6. 根据方案4所述的方法，其中所述组合包括形成与所述集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，并在所述锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中所述锂化层具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约10 µm的厚度；且所述电活性层具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 nm的厚度。
方案8. 根据方案4所述的方法，其中所述电活性材料选自：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、硫化铁（FeS）及其组合。
方案9. 根据方案1所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述电化学电池中循环锂。
方案10. 形成用于并入电化学电池的预锂化电极的方法，所述方法包括：
在包含氧的环境中将锂化添加剂与电活性材料和集流体组合，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点，其中所述锂化添加剂包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中所述组合包括将大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂与大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的电活性材料混合并将混合物设置在所述集流体的第一表面上。
方案12. 根据方案10所述的方法，其中所述组合包括形成与所述集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，并在所述锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。
方案13. 根据方案12所述的方法，其中所述锂化层具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约20 µm的厚度；且所述电活性层具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 µm的厚度。
方案14. 根据方案10所述的方法，其中所述电活性材料选自：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、硫化铁（FeS）及其组合。
方案15. 根据方案10所述的方法，其中所述锂化添加剂包含锂源，所述锂源包含
Figure 252940DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，其中0 ≤ m ≤ 4.4，
并且所述电极具有与在所述电化学电池中循环锂之前的初始容量相比小于或等于大约5%的首次循环后的总容量损失。
方案16. 形成用于电化学电池的预锂化电极的方法，所述方法包括：
在包含氧的环境中形成与集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点，其中所述锂化添加剂包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y；和
在所述锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。
方案17. 根据方案16所述的方法，其中所述锂化层具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约20 µm的厚度，并包含锂源，所述锂源包含
Figure 186261DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，且0 ≤ m ≤4.4。
方案18. 根据方案16所述的方法，其中所述电活性层具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 µm的厚度，且所述电活性层包含选自以下的一种或多种电活性材料：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0≤ z ≤ 64）、硫化铁（FeS）及其组合。
方案19. 根据方案18所述的方法，其中所述预锂化电极包含大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的所述锂化添加剂和大于或等于大约1重量%至小于或等于大约95重量%的所述一种或多种电活性材料。
由本文中提供的描述容易看出其它适用领域。本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。
附图说明
本文中描述的附图仅用于说明所选实施方案而非所有可能的实施方式，并且无意限制本公开的范围。
图1是根据本公开的各个方面的具有负极的电化学电池的示例性示意图；
图2A示出了在空气中包含锂化添加剂的对比复合电极的质量变化（经时）；
图2B示出了在包含氧且基本上不含水的环境中包含锂化添加剂的对比复合电极的质量变化（经时）；和
图3是根据本公开的各个方面的具有锂化层的负极的示例性示意图。
在附图的几个视图中，相应的附图标记指示相应的部件。
具体实施方式
提供了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，例如具体组成、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。对于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，它们都不应被视为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
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”、“一个/种”和“该”可以意在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”是包容性的，因此规定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一种或更多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其集合的存在或加入。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语可替代地理解为更具限制性和局限性的术语，如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本上由此类所述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，从这样的实施方案中排除实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是实质上不影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤可以包括在该实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或例示的特定次序实施，除非明确确定为一定的实施次序。还要理解的是，除非另行说明，可以使用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到“位于”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层上时，其可以直接位于、接合到、连接到或耦合到其它组件、元件或层上，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被提到“直接位于”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层上时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应以类似方式解释（例如，“在……之间”vs“直接在……之间”，“相邻”vs“直接相邻”等等）。本文中所用的术语“和/或”包括相关列举项中的一个或多个的任意和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制，除非另行指明。这些术语仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段区分于另一步骤、元件、组件、区域、层或区段。除非上下文清楚地指明，术语如“第一”、“第二”和其它数值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、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、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，在本文中可以使用空间或时间上相关的术语，如“之前”、“之后”、“以内”、“以外”、“下”、“下方”、“下部”、“上”、“上部”等描述如图中所示的一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系。除了图中描绘的方位之外，空间或时间上相对的术语可以意在涵盖使用或操作中装置或系统的不同方位。
在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的微小偏差和大致具有所述值的实施方案以及确切具有所述值的实施方案。除了在具体实施方式最后提供的工作实施例中之外，本说明书（包括所附权利要求）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中被术语“大约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“大约”。“大约”是指所述数值允许一定的轻微不精确性（一定程度上接近该值的确切值；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，那么本文中所用的“大约”至少是指可能由测量和使用此类参数的普通方法引起的变化。例如，“大约”可以包含小于或等于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%和在某些方面任选小于或等于0.1%的变化。
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。
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。
本技术涉及改进的电极（和包括改进的电极的电化学电池）及其制造方法，这减少了由例如首次电池循环过程中活性锂离子损失造成的运行效率低下。特别地，本公开提供了预锂化电极的电活性材料的方法。所述预锂化在电池中产生锂储池。储存的锂补偿了在电化学电池的循环过程中（包括在首次循环过程中）的锂损失，由此减少经时容量损失。
图1中显示了电化学电池（也称为电池）20的示例性和示意性图示。电池20包括负极22、正极24、以及设置在电极22、24之间的隔膜26。在某些变体中，隔膜26可以由固态电解质形成。例如，隔膜26可以由多个固态电解质粒子（未显示）限定。隔膜26在电极22、24之间提供电分离——防止物理接触。隔膜26还在锂离子循环过程中为锂离子和某些情况下的相关阴离子的内部通行提供了最小电阻路径。在某些变体中，多个固态电解质粒子（未显示）还可以分别与存在于负极和正极22、24中的电活性材料混合。
负极集流体32可以位于负极22处或附近，正极集流体34可以位于正极24处或附近。负极集流体32和正极集流体34分别将自由电子收集并移动至外部电路40和从外部电路40收集并移动自由电子。例如，可中断外部电路40和负载装置42可以连接负极22（通过负极集流体32）和正极24（通过正极集流体34）。正极集流体34可以是金属箔、金属格栅或金属网、或包含铝或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料的多孔金属。负极集流体32可以是金属箔、金属格栅或金属网、或包含铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料的多孔金属。
电池20可以通过在外部电路40闭合（以连接负极22和正极24）且负极22含有相对更大量的锂时发生的可逆电化学反应在放电过程中产生电流。正极24与负极22之间的化学势差驱动由负极22处的嵌入锂的氧化所产生的电子经外部电路40朝向正极24。同样在负极22处产生的锂离子同时经隔膜26朝向正极24转移。电子流过外部电路40且锂离子穿过隔膜26迁移至正极24，在那里它们可以经镀覆、反应或嵌入。通过外部电路40的电流可以被利用并被引导通过负载装置42，直到负极22中的锂耗尽且电池20的容量减小。
可以随时通过将外部电源（例如充电装置）连接到电池20上以逆转在电池放电过程中发生的电化学反应来为电池20充电或重新供能。将外部电源连接到电池20上迫使正极24处的一种或多种金属元素发生非自发氧化反应以产生电子和锂离子。通过外部电路40流回负极22的电子和穿过隔膜26移动回负极22的锂离子在负极22处再结合，并用锂进行补充以便在下一次电池放电循环过程中消耗。由此，每个放电和充电事件被认为是一个循环，其中锂离子在正极24与负极22之间循环。
可用于将电池20充电的外部电源可以根据电池20的尺寸、构造和特定的最终用途而不同。一些值得注意和示例性的外部电源包括但不限于AC电源，如AC壁装电源插座和机动车交流发电机。在许多电池20配置中，负极集流体32、负极22、隔膜26、正极24和正极集流体34各自被制备为相对薄的层（例如几微米至一毫米或更小的厚度）并且以电并联布置连接的层形式组装以提供合适的电能和功率包装。在各种其它情况下，电池20可以包括串联连接的电极22、24。
此外，在某些方面，电池20可以包括多种其它组件，这些组件尽管并未在此描绘出，但仍然是本领域技术人员已知的。例如，电池20可以包括外壳、垫圈、端帽以及可能位于电池20内（作为非限制性实例，包括在负极22、正极24和/或隔膜26之间或附近）的任何其它常规组件或材料。如上所述，电池20的尺寸和形状可以根据设计它以用于其中的特定应用而改变。电池供电的车辆和手持式消费电子设备是其中电池20最有可能被设计为不同的尺寸、容量和功率输出规格的两个非限制性实例。电池20还可以与其它类似的锂离子电池或电池组串联或并联连接，以便在负载装置42需要的情况下产生更大的电压输出、能量和功率。
因此，电池20可以生成电流至负载装置42，负载装置42可以可操作地连接至外部电路40。负载装置42可以完全或部分由锂离子电池20放电时通过外部电路40的电流来供电。虽然负载装置42可以是任何数量的已知电动装置，作为非限制性实例，耗电负载装置的一些具体实例包括用于混合电动车或全电动车的电动机、膝上型计算机、平板计算机、移动电话和无绳电动工具或电器。负载装置42还可以是发电设备，其将电池20充电以用于储存电能。
重新参照图1，电极22、24和/或隔膜26可以各自包括电解质溶液或体系30。能够在电极22、24之间传导锂离子的任何合适的电解质30，无论是固体、液体还是凝胶形式，均可用于电池20。例如，电解质30可以是非水性液体电解质溶液，其包含溶解在有机溶剂或有机溶剂的混合物中的锂盐。许多常规的非水性液体电解质溶液可用于电池20。
适当的锂盐通常具有惰性阴离子。可以溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中以形成非水性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）、二氟草酸硼酸锂（LiBF2(C2O4)）（LiODFB）、四苯基硼酸锂（LiB(C6H5)4）、双(草酸)硼酸锂（LiB(C2O4)2）（LiBOB）、四氟草酸磷酸锂（LiPF4(C2O4)）（LiFOP）、硝酸锂（LiNO3）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3）、双(三氟甲磺酰亚胺)锂（LiTFSI）（LiN(CF3SO2)2）、氟代磺酰亚胺锂（LiN(FSO2)2）（LiFSI）及其组合。 在某些变体中，锂盐选自六氟磷酸锂（LiPF6）、双(三氟甲磺酰亚胺)锂（LiTFSI）（LiN(CF3SO2)2）、氟代磺酰亚胺锂（LiN(FSO2)2）（LiFSI）、氟代烷基磷酸锂（LiFAP）（Li3O4P）及其组合。
这些和其它类似的锂盐可以溶解在许多有机溶剂中，所述有机溶剂包括但不限于各种碳酸烷基酯，如环状碳酸酯（例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)）、直链碳酸酯（例如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙基甲基酯(EMC)）、脂族羧酸酯（例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯）、γ-内酯（例如γ-丁内酯、γ-戊内酯）、链结构醚（例如1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷）、环醚（例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧杂环戊烷(DOL)）、硫化合物（例如环丁砜）及其组合。在各个方面，电解质30可以包含大于或等于1M至小于或等于大约2M浓度的一种或多种锂盐。在某些变体中，例如当电解质具有大于大约2M的锂浓度或离子液体时，电解质30可以包含一种或多种稀释剂，如氟代碳酸亚乙酯（FEC）和/或氢氟醚（HFE）。
在各个方面，电解质30可以是固态电解质，其形成隔膜26。固态电解质可以包含一种或多种固态电解质粒子，其可以包含一种或多种基于聚合物的粒子、基于氧化物的粒子、基于硫化物的粒子、基于卤化物的粒子、基于硼酸盐的粒子、基于氮化物的粒子和基于氢化物的粒子。这种固态电解质可以以多个层设置，由此限定三维结构。在各个方面，基于聚合物的粒子可以与锂盐混杂以充当固体溶剂。在某些变体中，基于聚合物的粒子可以包含选自以下的一种或多种聚合物材料：聚乙二醇、聚(对苯醚)（PPO）、聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)（PVDF-HFP）、聚氯乙烯（PVC）及其组合。在一个变体中，所述一种或多种聚合物材料可以具有等于大约10-4 S/cm的离子电导率。
在各个方面，基于氧化物的粒子可以包含一种或多种石榴石陶瓷、LISICON型氧化物、NASICON型氧化物和钙钛矿型陶瓷。例如，所述一种或多种石榴石陶瓷可以选自：Li6.5La3Zr1.75Te0.25O12、Li7La3Zr2O12、Li6.2Ga0.3La2.95Rb0.05Zr2O12、Li6.85La2.9Ca0.1Zr1.75Nb0.25O12、Li6.25Al0.25La3Zr2O12、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12及其组合。所述一种或多种LISICON型氧化物可以选自：Li14Zn(GeO4)4、Li3+x(P1−xSix)O4（其中0 < x < 1）、Li3+xGexV1-xO4（其中0 < x < 1）及其组合。所述一种或多种NASICON型氧化物可以由LiMMʹ(PO4)3来定义，其中M和Mʹ独立地选自Al、Ge、Ti、Sn、Hf、Zr和La。例如，在某些变体中，所述一种或多种NASICON型氧化物可以选自：Li1+ xAlxGe2-x(PO4)3（LAGP）（其中0 ≤ x ≤ 2）、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3（LATP）（其中0 ≤ x ≤ 2）、Li1+xYxZr2-x(PO4)3（LYZP）（其中0 ≤ x ≤ 2）、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、LiTi2(PO4)3、LiGeTi(PO4)3、LiGe2(PO4)3、LiHf2(PO4)3及其组合。所述一种或多种钙钛矿型陶瓷可以选自：Li3.3La0.53TiO3、LiSr1.65Zr1.3Ta1.7O9、Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3（其中x=0.75y且0.60 < y <0.75）、Li3/8Sr7/16Nb3/4Zr1/4O3、Li3xLa(2/3-x)TiO3（其中0 < x < 0.25）及其组合。在一个变体中，所述一种或多种基于氧化物的材料可以具有大于或等于大约10-5 S/cm至小于或等于大约10-3 S/cm的离子电导率。
在各个方面，基于硫化物的粒子可以包含选自以下的一种或多种基于硫化物的材料：Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-MSx（其中M是Si、Ge和Sn且0 ≤ x ≤ 2）、Li3.4Si0.4P0.6S4、Li10GeP2S11.7O0.3、Li9.6P3S12、Li7P3S11、Li9P3S9O3、Li10.35Si1.35P1.65S12、Li9.81Sn0.81P2.19S12、Li10(Si0.5Ge0.5)P2S12、Li(Ge0.5Sn0.5)P2S12、Li(Si0.5Sn0.5)PsS12、Li10GeP2S12 (LGPS)、Li6PS5X（其中X是Cl、Br或I）、Li7P2S8I、Li10.35Ge1.35P1.65S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4、Li10SnP2S12、Li10SiP2S12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3、(1-x)P2S5-xLi2S（其中0.5≤x≤0.7）及其组合。在一个变体中，所述一种或多种基于硫化物的材料可以具有大于或等于大约10-7 S/cm至小于或等于大约10-2 S/cm的离子电导率。
在各个方面，基于卤化物的粒子可以包含选自以下的一种或多种基于卤化物的材料：Li2CdCl4、Li2MgCl4、Li2CdI4、Li2ZnI4、Li3OCl、LiI、Li5ZnI4、Li3OCl1-xBrx（其中0 < x <1）及其组合。在一个变体中，所述一种或多种基于卤化物的材料可以具有大于或等于大约10-8 S/cm至小于或等于大约10-5 S/cm的离子电导率。
在各个方面，基于硼酸盐的粒子可以包含选自以下的一种或多种基于硼酸盐的材料：Li2B4O7、Li2O-(B2O3)-(P2O5)及其组合。在一个变体中，所述一种或多种基于硼酸盐的材料可以具有大于或等于大约10-7 S/cm至小于或等于大约10-6 S/cm的离子电导率。
在各个方面，基于氮化物的粒子可以包含选自以下的一种或多种基于氮化物的材料：Li3N、Li7PN4、LiSi2N3、LiPON及其组合。在一个变体中，所述一种或多种基于氮化物的材料可以具有大于或等于大约10-9 S/cm至小于或等于大约10-3 S/cm的离子电导率。
在各个方面，基于氢化物的粒子可以包含选自以下的一种或多种基于氢化物的材料：Li3AlH6、LiBH4、LiBH4-LiX（其中X是Cl、Br和I中的一种）、LiNH2、Li2NH、LiBH4-LiNH2及其组合。在一个变体中，所述一种或多种基于氢化物的材料可以具有大于或等于大约10-7 S/cm至小于或等于大约10-4 S/cm的离子电导率。
在再进一步的变体中，电解质30可以是准固态电解质，其包含上文详述的非水性液体电解质溶液与固态电解质体系的混合——例如包含一种或多种离子液体和一种或多种金属氧化物粒子，如氧化铝（Al2O3）和/或二氧化硅（SiO2）。
在各种情况下，隔膜26可以是包含可以为直链或支链的聚烯烃的微孔聚合物隔膜，所述聚烯烃包括由均聚物（衍生自单一单体成分）或杂聚物（衍生自超过一种单体成分）制成的那些。在某些方面，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。市售聚烯烃多孔隔膜26膜包括可获自Celgard LLC的CELGARD® 2500（一种单层聚丙烯隔膜）和CELGARD® 2340（一种三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔膜）。
当隔膜26是微孔聚合物隔膜时，其可以是单层或多层层合件。例如，在一个实施方案中，单个聚烯烃层可以形成整个微孔聚合物隔膜26。在其它方面，隔膜26可以是纤维膜，其具有在相对表面之间延伸的大量孔隙，并可以具有例如小于1毫米的厚度。但是，作为另一实例，可以组装多个相似或不相似的聚烯烃的离散层以形成隔膜26。
替代地或除聚烯烃之外，微孔聚合物隔膜26还可以包含其它聚合物，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、聚乙烯环烷酸酯、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（例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)）、聚苯并咪唑（PBI）、聚苯并噁唑（PBO）、聚亚苯基、聚亚芳基醚酮、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、聚亚苯醚、纤维素材料、介孔二氧化硅或其组合。
此外，隔膜26可以与陶瓷材料混合，或其表面可以涂覆陶瓷材料。例如，陶瓷涂层可以包含氧化铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）或其组合。设想了用于形成隔膜26的各种常规可用的聚合物和商业产品，以及可用于制造这样的微孔聚合物隔膜26的许多制造方法。
正极24包含锂基正极电活性材料，其能够进行锂嵌入和脱嵌、合金化和脱合金化、或镀覆和剥离，同时充当电容器电池20的正极端子。在各个方面，正极24可以由多个电活性材料粒子（未显示）限定。此类正极电活性材料粒子可以以一个或多个层设置来限定正极24的三维结构。在某些变体中，如上所述，正极24可以进一步包含电解质30，例如多个电解质粒子（未显示）。
正极24可以是层状氧化物阴极、尖晶石阴极和聚阴离子阴极中的一种。例如，层状氧化物阴极（例如岩盐层状氧化物）包含一种或多种锂基正极电活性材料，其选自LiNixMnyCo1-x-yO2（其中0 ≤ x ≤ 1且0 ≤ y ≤ 1）、LiNixMn1-xO2（其中0 ≤ x ≤ 1）、Li1+xMO2（其中M是Mn、Ni、Co和Al之一且0 ≤ x ≤ 1）（例如LiCoO2 (LCO)、LiNiO2、LiMnO2、LiNi0.5Mn0.5O2、NMC111、NMC523、NMC622、NMC 721、NMC811、NCA）。尖晶石阴极包含一种或多种锂基正极电活性材料，其选自LiMn2O4（LMO）和LiNi0.5Mn1.5O4。橄榄石型阴极包含一种或多种锂基正极电活性材料，如LiV2(PO4)3、LiFePO4、LiCoPO4和LiMnPO4。水磷锂铁石型阴极包含例如LiVPO4F。硼酸盐型阴极包含例如LiFeBO3、LiCoBO3和LiMnBO3中的一种或多种。硅酸盐型阴极包含例如Li2FeSiO4、Li2MnSiO4和LiMnSiO4F。在再进一步的变体中，正极24可以包含一种或多种其它正极电活性材料，如(2,5-二锂氧基)对苯二甲酸二锂（dilithium (2,5-dilithiooxy)terephthalate）和聚酰亚胺中的一种或多种。在各个方面，正极电活性材料可以任选被涂覆（例如被LiNbO3和/或Al2O3涂覆）和/或可以被掺杂（例如被镁(Mg)、铝(Al)和锰(Mn)中的一种或多种掺杂）。
在各个方面，正极24中的正极电活性材料可以任选与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善正极24的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，正极24中的正极电活性材料可以任选与粘合剂混杂，所述粘合剂例如聚(四氟乙烯)（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、聚(偏二氟乙烯)（PVDF）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物（SBS）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠、藻酸锂及其组合。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑、石墨、乙炔黑（如KETCHENTM黑或DENKATM黑）的粒子、碳纤维和纳米管、石墨烯等等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。正极24可以包含大于或等于大约50重量%至小于或等于大约99重量%、和在某些方面任选大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的正极电活性材料，任选大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%的导电材料，以及任选大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%的粘合剂。
在某些方面，负极22由锂宿主材料形成，所述锂宿主材料能够充当锂离子电池的负极端子。例如，负极22可以包含能够充当电池20的负极端子的锂宿主材料（例如负极电活性材料）。在各个方面，负极22可以由多个负极电活性材料粒子（未显示）来限定。此类负极电活性材料粒子可以以一个或多个层设置来限定负极22的三维结构。在某些变体中，如上所述，负极22可以进一步包含电解质30，例如多个电解质粒子（未显示）。
负极22可以是包含例如锂金属和/或锂合金的锂基负极电活性材料。在其它变体中，负极22可以是包含硅（例如硅合金、氧化硅或其组合）的硅基负极电活性材料，其在某些情况下可以进一步与石墨混合。在再其它变体中，负极22可以是作为碳质阳极的负极电活性材料，其包含一种或多种负极电活性材料如石墨、石墨烯和/或碳纳米管（CNT）。在再进一步的变体中，负极22可以包含一种或多种接收锂的负极电活性材料，如锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、一种或多种过渡金属（如锡(Sn)）、一种或多种金属氧化物（如氧化钒(V2O5)、氧化锡(SnO)、二氧化钛(TiO2)）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0≤ z ≤ 64）和一种或多种金属硫化物（如硫化亚铁或硫化铁(FeS)）。
在各个方面，负极22中的负极电活性材料可以任选与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善负极22的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，负极22中的负极电活性材料可以任选与粘合剂混杂，所述粘合剂例如聚(四氟乙烯)（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、聚(偏二氟乙烯)（PVDF）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物（SBS）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠、藻酸锂及其组合。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑、石墨、乙炔黑（如KETCHENTM黑或DENKATM黑）的粒子、碳纤维和纳米管、石墨烯等等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。负极22可以包含大于或等于大约50重量%至小于或等于大约99重量%、和在某些方面任选大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的负极电活性材料（例如锂粒子或锂箔），任选大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%的导电材料，以及任选大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%的粘合剂。
在某些情况下，例如当首次循环后基本上所有锂均返回到正极时，电池充电反应可以表示为(Li-H正极) + H负极 → (Li-H负极) + H正极，其中H代表可以接收锂的空位且x为大约1（例如初始容量）。在这种情况下，正极中的反应可以表示为(Li-H正极) → Li+ + e- + H正极，负极中的反应可以表示为Li+ + e- + H负极 → (Li-H负极)。但是，在许多情况下，如上文所述，特别是在首次充电循环过程中，一部分锂可能被负极消耗。在这种情况下，首次循环后的充电反应可以表示为：
(Li-H正极) + H负极 + 溶剂 → (Lix-H负极) + (Li1-x-溶剂)↓ + H正极。
在这种情况下，(Li1-x-溶剂)↓代表不可回收的锂，例如由于沉淀（↓）所导致的不可回收的锂。该加合物是不溶性和惰性的，通常导致首次循环后大于或等于大约5%至小于或等于大约30%的不可逆的容量损失。在这种情况下，正极中的反应可以表示为：
(Li-H正极) → Li+ + e- + H正极
且负极中的反应可以表示为：
1）xLi+ + xe- + H负极 → (Li-H负极)；和
2）(1-x) Li+ + (1-x) e- + 溶剂 → (Li1-x-溶剂)↓，
其中x是首次循环效率。在各个方面，首次循环效率（x）可以为大于或等于大约0.5至小于或等于大约1、任选大于或等于大约0.5至小于或等于大约0.95、和在某些方面大于或等于大约0.7至小于或等于大约0.95。这样的循环效率低下可能是由于不可回收的锂和在某些方面损失的溶剂所导致的。
根据本公开的各个方面，负极22可以进一步包含锂化添加剂，例如，总体上由LiuHr表示的锂硅酸盐或二氧化硅，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。在这种情况下，
Figure 589560DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和/或LimSi（其中m是预锂化锂的量，在各个方面，m可以是大于或等于大约0至小于或等于大约4.4(即0 ≤ m ≤ 4.4)，并在某些方面任选大于或等于大约0至小于或等于大约3.75(即0 ≤ m ≤ 3.75)）可以充当补偿电池循环过程中、特别是首次循环过程中的锂离子损失的锂源，由此降低电池成本并使比功率和比能量最大化。例如，电池充电反应可以表示为：
wLiuHr + (Lix-H负极) + H正极 → (w ‧ u + x) (Li-H正极) + wHr + H负极。
为了充分利用正极，理想情况下w‧u + x = 1，使得w‧u = 1-x且w =
Figure 317345DEST_PATH_IMAGE002
。值w代表锂化添加剂（例如由式LiuHr表示的锂化二氧化硅）的量，如果负极和正极22、24的容量匹配的话，其应当添加至负极22以补偿循环效率低下，例如在首次循环过程中发生的锂消耗。总之，在这种情况下，电池充电反应可以表示为：
Figure 806095DEST_PATH_IMAGE002
LiuHr + (Lix-H负极) + H正极 → (Li-H正极) +
Figure 11948DEST_PATH_IMAGE002
Hr + H负极。
在各个方面，负极22可以包含大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂，以使电池20经历与初始锂循环之前的初始容量相比小于或等于大约5%的容量的总容量损失。在某些方面，负极22可以过度锂化（例如当负极22是硅基电极时）以便进一步补偿首次循环和后续循环过程中的锂损失。例如，在这种情况下，负极22可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约80重量%、和在某些方面任选大于或等于大约30重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂。
根据本公开的各个方面，提供了预锂化电极（例如图1中所示的负极22）的方法。这种预锂化电活性材料以形成用于电化学电池的预锂化电极的方法可以包括在包含氧且基本上不含水的环境（例如干燥空气环境）中将锂化添加剂添加至电活性材料，所述锂化添加剂包含例如由LiuHr表示的锂硅酸盐或二氧化硅, 其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。这样的环境可以具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点，例如在大约22℃下相对湿度为大约0.5%。在各个方面，可以在干燥空气环境中将锂化添加剂的颗粒添加到随后用于形成电极的浆料中。
在各个方面，锂化添加剂在常规空气中可能具有不佳的稳定性。例如，在某些方面，这种不稳定性可能源自于锂化二氧化硅与环境水分和/或二氧化碳（CO2）的反应，所述反应导致不期望的质量增加。图2A示出了具有锂化条件不同的锂化添加剂的对比SiOx│Li纽扣电池的质量变化。例如，对比电池212A可以包括具有大约100%的荷电状态（SOC）的充分锂化电极，而剩余的对比电池204A、206A、208A、210A可以具有不同的锂化量。例如，对比电池210A可以包括具有大约50%的荷电状态的电极，对比电池208A可以包括具有大约40%的荷电状态的电极，对比电池206A可以包括具有大约30%的荷电状态的电极，对比电池204A可以包括具有大约20%的荷电状态的电极。
对比电极204A、206A、208A、210A、212A各自可以包含大约90重量%的硅基电活性材料（例如SiOx）、大约5重量%的导电材料（例如炭黑）和大约5重量%的粘合剂（例如羧甲基纤维素(CMC)）。对比电池可以包含大约50 µL的电解质和多孔隔膜（例如CELGARD® 2340）。电解质可以包含1M六氟磷酸锂（LiPF6）和助溶剂（1:2）碳酸亚乙酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）。电解质可以进一步包含大约10重量%的氟代碳酸亚乙酯（FEC）。
在各个方面，对比电极可以各自通过均匀混合（例如使用行星式混合机）硅基电活性材料和锂化添加剂以及任选的导电材料和/或粘合剂来制备。可以将均匀的浆料浇注到集流体（例如铜箔）上并干燥以形成电极。在这种情况下，对比电极可以具有大约65 µm的厚度，并且对比电极可以具有大约5.96 mg cm-2的硅基电活性材料的载量。
在各个其它方面，可以将锂化添加剂与导电材料和/或粘合剂混合并浇注到集流体上以形成第一锂化层，并且可以将电活性材料浇注到锂化层的暴露表面上以形成电活性材料层。在这种情况下，锂化层可以具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约20 µm、和在某些方面任选大于或等于大约10 nm至小于或等于大约10 µm的厚度；并且电活性材料层可以具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200 nm、和在某些方面任选大于或等于大约100 nm至小于或等于大约200 nm的厚度。
图2A示出了在首次循环或一个放电步骤（施加的电压为大于或等于大约0.005 V至小于或等于大约2.0V，施加的电流为大约246.4 µA）并暴露于空气之后的对比电池204A、206A、208A、210A和212A中的经时质量变化。x轴200代表空气暴露的时间段（以小时计），y轴202代表质量增加百分比。绘制的质量变化可以仅基于复合电极的质量来计算，不包括集流体的质量。如所示那样，对比电池204A、206A、208A、210A和212A暴露于含水分的空气混合物的时间越长，对比电池204A、206A、208A、210A和212A的质量增加越多，因为相应的活性材料与空气中的水分反应，且并入来自空气的氧，这降低了后续的电池性能。具有较高荷电状态的电池204A、206A、208A、210A和212A以与具有较低荷电状态的对比电池相比更快的速率与氧反应。
图2B绘制了在包含氧且基本上不含水的环境（例如干燥空气）中制备的电池的质量变化，该环境例如具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点，例如在大约22℃下相对湿度为大约0.5%。对比电池204B、206B、208B、210B、212B分别对应于对比电池204A、206A、208A、210A和212A。图2B中的x轴220代表在干燥空间（例如包含氧且基本上不含水的空间）中空气暴露的时间段（以小时计），y轴222代表质量增加百分比。如所示那样，在对比电池204B、206B、208B、210B、212B中的极小质量变化是明显的，这表明在包含氧且基本上不含水的环境中制备的此类电池可以具有改善的稳定性和安全性。例如，来自不期望的与氧的副反应的重量增加可以减少至少一个数量级。
根据本公开的各个方面，锂化添加剂可以在负极内形成锂化层，例如如图3中所示。图3中所示的负极300包括集流体310、电活性材料层330和设置在其间的锂化层320。锂化层320可以设置在集流体310之上或附近。例如，可以采用浆料浇注工艺设置锂化层320。在各种情况下，锂化层320可以充当应力缓冲层。例如，锂化层320可以充当补偿电池循环过程中、特别是首次循环过程中的锂离子损失的锂储池，由此降低电池成本，并使比功率和比能量最大化。锂化层320可以包含锂化添加剂，例如总体上由LiuHr表示的锂硅酸盐或二氧化硅，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤u ≤ y。在这种情况下，
Figure 269754DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和/或LimSi（其中m是预锂化锂的量，在各种方面，m可以为大于或等于大约0至小于或等于大约4.4(即0 ≤ m ≤ 4.4)，并在某些方面任选大于或等于大约0至小于或等于大约3.75(即0 ≤ m ≤ 3.75)）可以充当补偿电池循环过程中的锂离子损失的锂源。锂化层320可以具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约20 µm、和在某些方面任选大于或等于大约10 nm至小于或等于大约10 µm的厚度。
类似于集流体32，集流体310可以是金属箔、金属格栅或金属网、或包含铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料的多孔金属。电活性材料层330可以由多个负极电活性材料粒子（未显示）来限定。此类负极电活性材料粒子可以以一个或多个层设置来限定电活性材料层330的三维结构。在各个方面，电活性材料层330可以包含选自以下的一种或多种负极电活性材料：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、FeS及其组合。在某些方面，类似于负极22，电活性材料层330可以任选与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善电活性材料层330的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。
为了说明和描述的目的而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个要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用时可互换并可用于所选实施方案，即使没有明确显示或描述。其也可以以许多方式改变。这样的变动不应被视为背离本公开，所有这样的修改意在包括在本公开的范围内。

Claims (9)

1.在包括至少一个电极的电化学电池中补偿由循环诱导的锂消耗所导致的容量损失的方法，所述方法包括：
将锂化添加剂添加到所述至少一个电极中以产生锂源，所述锂源补偿当在所述电化学电池中循环锂时发生的循环诱导的锂化损失，使得所述电化学电池经历小于或等于在所述电化学电池中循环锂之前的初始容量的大约5%的总容量损失，其中所述锂化添加剂包含由式LiuHr表示的锂硅酸盐，其中Hr = Liy-uSiOz，且其中0 ≤ y ≤ 3.75，0 ≤ z ≤ 2，并且u是y的可用部分，0 ≤ u ≤ y。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述锂源包含
Figure 691097DEST_PATH_IMAGE001
Li4SiO4和LimSi，其中0 ≤ m ≤4.4。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个电极包含大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在包含氧的环境中将锂化添加剂与电活性材料和集流体组合，所述环境基本上不含水且具有大于或等于大约-100℃至小于或等于大约0℃的露点。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述组合包括将大于或等于大约1重量%至小于或等于大约50重量%的锂化添加剂与大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的电活性材料混合并将混合物设置在所述集流体的第一表面上。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述组合包括形成与集流体相邻的包含锂化添加剂的锂化层，并在锂化层的一个或多个暴露表面上形成电活性层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述锂化层具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约10 µm的厚度；且所述电活性层具有大于或等于大约500 nm至小于或等于大约200nm的厚度。
8.根据权利要求4所述的方法，其中所述电活性材料选自：锂、硅、氧化硅、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）、锡（Sn）、氧化钒（V2O5）、氧化锡（SnO）、二氧化钛（TiO2）、钛铌氧化物（TixNbyOz，其中0 ≤ x ≤ 2，0 ≤ y ≤ 24，0 ≤ z ≤ 64）、硫化铁（FeS）及其组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述电化学电池中循环锂。
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