CN117174902A - 用于含硅电极的碳添加剂 - Google Patents

用于含硅电极的碳添加剂 Download PDF

Info

Publication number
CN117174902A
CN117174902A CN202211326653.XA CN202211326653A CN117174902A CN 117174902 A CN117174902 A CN 117174902A CN 202211326653 A CN202211326653 A CN 202211326653A CN 117174902 A CN117174902 A CN 117174902A
Authority
CN
China
Prior art keywords
equal
electrode
less
weight
carbon
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
CN202211326653.XA
Other languages
English (en)
Inventor
N·埃利森
黄晓松
A·李
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.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations 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 GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN117174902A publication Critical patent/CN117174902A/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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • 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
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • 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
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • 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
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • 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

Landscapes

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

Abstract

本发明涉及用于含硅电极的碳添加剂。本公开提供了一种用于循环锂离子的电化学电池的电极。所述电极包括：含硅电活性材料；第一碳添加剂，其具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比；第二碳添加剂，其具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比；以及第三碳添加剂，其具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。所述电极包括重量百分比介于大约80%和大约97%之间的含硅电活性材料、重量百分比介于大约0.5%和大约15%之间的第一碳添加剂、重量百分比介于大约0.1%和大约15%之间的第二碳添加剂以及重量百分比介于大约0.01%和大约5%之间的第三碳添加剂。

Description

用于含硅电极的碳添加剂
背景技术
本节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来满足各种产品的能量和/或功率要求，包括汽车产品，诸如启停系统（例如，12V启停系统）、电池辅助系统、混合动力电动车辆（“HEV”）和电动车辆（“EV”）。典型的锂离子蓄电池包括至少两个电极和电解质和/或分隔件。这两个电极中的一个可用作正电极或阴极，并且另一个电极可用作负电极或阳极。分隔件和/或电解质可设置在负电极和正电极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子，并且像这两个电极一样，可为固体和/或液体形式和/或它们的混合。在包括固态电极和固态电解质的固态蓄电池的情况下，固态电解质可物理地分隔电极，使得不需要不同的分隔件。
许多不同的材料可用于创建锂离子蓄电池的部件。例如，用于锂蓄电池的正电极材料通常包括可嵌入有锂离子的电活性材料，例如锂-过渡金属氧化物或混合氧化物，例如包括LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi(1-x-y)CoxMyO2（其中0<x<1，y<1，并且M可以是Al、Mn等），或者一种或多种磷酸盐化合物，例如包括磷酸铁锂或混合的锰铁磷酸锂。负电极通常包括锂嵌入材料或合金主体材料。例如，用于形成阳极的典型的电活性材料包括石墨和其他形式的碳、硅和氧化硅、锡和锡合金。
某些阳极材料具有特殊的优点。虽然具有372 mAh·g-1的理论比容量的石墨最广泛地用于锂离子蓄电池中，但具有高比容量的阳极材料越来越受到关注，所述高比容量例如范围从大约900 mAh·g-1至大约4,200 mAh·g-1的高比容量。例如，硅具有最高的已知锂理论容量（例如，大约4,200 mAh·g-1），从而使其成为可充电锂离子蓄电池的有吸引力的材料。然而，包含硅的阳极可能遭受缺陷的影响。例如，在连续的充电和放电循环期间，过度的体积膨胀和收缩（例如，与石墨的大约10%相比，硅为大约300%）。这种体积变化可能导致电活性材料的破裂和分解，这进而可能导致含硅电活性材料与蓄电池单元的其余部分之间失去电接触，从而导致容量保持率差和过早的电池失效。因此，将期望开发能够应对这些挑战的高性能电极材料，以及制造和使用所述材料的方法。
发明内容
本节提供了本公开的一般概要，并不是对其全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开涉及包括碳添加剂的组合的电化学电池，以及其制造和使用它们的方法。
在各个方面，本公开提供了一种用于循环锂离子的电化学电池的电极。所述电极可包括：含硅电活性材料；第一碳添加剂，其具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比；第二碳添加剂，其具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比；以及第三碳添加剂，其具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。
在一个方面，所述第一碳添加剂可包括炭黑。
在一个方面，所述第二碳添加剂可包括薄片，所述薄片具有大于或等于大约2 μm至小于或等于大约25 μm的平均粒径以及小于或等于大约100 nm的平均厚度。
在一个方面，所述第二碳添加剂可选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、导电石墨颗粒、剥离石墨片以及它们的组合。
在一个方面，所述第三碳添加剂可包括纳米管或纳米纤维，所述纳米管或纳米纤维具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约100 nm的平均直径。
在一个方面，所述第三碳添加剂可选自由以下各项组成的组：碳纳米管、碳纳米纤维以及它们的组合。
在一个方面，电极可包括：重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的所述含硅电活性材料；重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的所述第一碳添加剂；重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的所述第二碳添加剂；以及重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的所述第三碳添加剂。
在一个方面，所述电极还可包括聚合物粘合剂。
在一个方面，所述电极可包括重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的所述聚合物粘合剂。
在一个方面，所述电极可包括：重量百分比大约95%的所述含硅电活性材料；重量百分比大约0.5%的所述第一碳添加剂；重量百分比大约0.5%的第二碳添加剂；重量百分比大约0.1%的所述第三碳添加剂；以及重量百分比大约3.9%的所述聚合物粘合剂。
在各个方面，本公开可提供一种用于循环锂离子的电化学电池的电极。所述电极可包括：重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的含硅电活性材料；重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的第一碳添加剂，其具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比；重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的第二碳添加剂，其具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比；以及重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的第三碳添加剂，其具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。
在一个方面，所述第一碳添加剂可包括炭黑。
在一个方面，所述第二碳添加剂可包括薄片，所述薄片具有大于或等于大约2 μm至小于或等于大约25 μm的平均粒径以及小于或等于大约100 nm的平均厚度。
在一个方面，所述第二碳添加剂可选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、导电石墨颗粒、剥离石墨片以及它们的组合。
在一个方面，所述第三碳添加剂可包括纳米管或纳米纤维，所述纳米管或纳米纤维具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约100 nm的平均直径。
在一个方面，所述第三碳添加剂可选自由以下各项组成的组：碳纳米管、碳纳米纤维以及它们的组合。
在一个方面，所述电极还可包括重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的聚合物粘合剂。
在各个方面，本公开提供了一种用于循环锂离子的电化学电池的电极。所述电极可包括：重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的含硅电活性材料；重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的炭黑；重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的石墨烯纳米片；以及重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的碳纳米管或纳米纤维。
在一个方面，所述电极还可包括重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的聚合物粘合剂。
在一个方面，所述电极可包括：重量百分比大约95%的所述含硅电活性材料；重量百分比大约0.5%的所述第一碳添加剂；重量百分比大约0.5%的第二碳添加剂；重量百分比大约0.1%的所述第三碳添加剂；以及重量百分比大约3.9%的所述聚合物粘合剂。
本发明还包括以下技术方案。
方案1. 一种用于循环锂离子的电化学电池的电极，所述电极包括：
含硅电活性材料；
第一碳添加剂，其具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比；
第二碳添加剂，其具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比；以及
第三碳添加剂，其具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。
方案2. 根据方案1所述的电极，其中，所述第一碳添加剂包括炭黑。
方案3. 根据方案1所述的电极，其中，所述第二碳添加剂包括薄片，所述薄片具有大于或等于大约2 μm至小于或等于大约25 μm的平均粒径以及小于或等于大约100 nm的平均厚度。
方案4. 根据方案3所述的电极，其中，所述第二碳添加剂选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、导电石墨颗粒、剥离石墨片以及它们的组合。
方案5. 根据方案1所述的电极，其中，所述第三碳添加剂包括纳米管或纳米纤维，所述纳米管或纳米纤维具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约100 nm的平均直径。
方案6. 根据方案5所述的电极，其中，所述第三碳添加剂选自由以下各项组成的组：碳纳米管、碳纳米纤维以及它们的组合。
方案7. 根据方案1所述的电极，其中，所述电极包括：
重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的所述含硅电活性材料；
重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的所述第一碳添加剂；
重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的所述第二碳添加剂；以及
重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的所述第三碳添加剂。
方案8. 根据方案1所述的电极，其中，所述电极还包含聚合物粘合剂。
方案9. 根据方案8所述的电极，其中，所述电极包括重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的所述聚合物粘合剂。
方案10. 根据方案8所述的电极，其中，所述电极包括：
重量百分比大约95%的所述含硅电活性材料；
重量百分比大约0.5%的所述第一碳添加剂；
重量百分比大约0.5%的第二碳添加剂；
重量百分比大约0.1%的所述第三碳添加剂；以及
重量百分比大约3.9%的所述聚合物粘合剂。
方案11. 一种用于循环锂离子的电化学电池的电极，所述电极包括：
重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的含硅电活性材料；
重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的第一碳添加剂，其具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比；
重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的第二碳添加剂，其具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比；以及
重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的第三碳添加剂，其具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。
方案12. 根据方案11所述的电极，其中，所述第一碳添加剂包括炭黑。
方案13. 根据方案11所述的电极，其中，所述第二碳添加剂包括薄片，所述薄片具有大于或等于大约2 μm至小于或等于大约25 μm的平均粒径以及小于或等于大约100 nm的平均厚度。
方案14. 根据方案13所述的电极，其中，所述第二碳添加剂选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、导电石墨颗粒、剥离石墨片以及它们的组合。
方案15. 根据方案11所述的电极，其中，所述第三碳添加剂包括纳米管或纳米纤维，所述纳米管或纳米纤维具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约100 nm的平均直径。
方案16. 根据方案15所述的电极，其中，所述第三碳添加剂选自由以下各项组成的组：碳纳米管、碳纳米纤维以及它们的组合。
方案17. 根据方案11所述的电极，其中，所述电极还包括重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的聚合物粘合剂。
方案18. 一种用于循环锂离子的电化学电池的电极，所述电极包括：
重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的含硅电活性材料；
重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的炭黑；
重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的石墨烯纳米片；以及
重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的碳纳米管或纳米纤维。
方案19. 根据方案18所述的电极，其中，所述电极还包括：
重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的聚合物粘合剂。
方案20. 根据方案19所述的电极，其中，所述电极包括：
重量百分比大约95%的所述含硅电活性材料；
重量百分比大约0.5%的所述第一碳添加剂；
重量百分比大约0.5%的第二碳添加剂；
重量百分比大约0.1%的所述第三碳添加剂；以及
重量百分比大约3.9%的所述聚合物粘合剂。
根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅用于说明所选实施例的目的，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的各个方面的包括碳添加剂的组合的示例性电化学电池的图示；
图2A是展示了根据本公开的各个方面的包括碳添加剂的组合的示例性纽扣电池的放电容量的图解图示；
图2B是展示了根据本公开的各个方面的包括碳添加剂的组合的示例性纽扣电池的放电容量保持率的图解图示；
图3A是展示了根据本公开的各个方面的包括碳添加剂的组合的示例性软包电池的放电容量的图解图示；以及
图3B是展示了根据本公开的各个方面的包括碳添加剂的组合的示例性软包电池的放电容量保持率的图解图示。
对应的附图标记在附图的若干视图中指示了对应的部分。
具体实施方式
提供示例性实施例以使本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员充分传达其范围。阐述了许多具体细节，例如特定组合物、部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用特定细节，示例性实施例可以许多不同形式实施，并且都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文所用的术语只是为了描述特定示例性实施例的目的，并且不意在是限制性的。如本文所用的，单数形式“一”、“一个”和“一种”可意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，并且因此指定存在所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求在本文阐述的各种实施例的非限制性术语，但在某些方面，该术语可替代地被理解为更具限制性和拘束性的术语，例如“由…组成”或“基本上由…组成”。因此，对于记载组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施例，本公开还具体地包括由或基本上由这些所记载的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施例。在“由…组成”的情况下，替代实施例不包括任何附加的组合物、材料、部件、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，实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤被排除在这样的实施例之外，但是不实质影响基本和新颖性特性的任何组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或工艺步骤可包括在实施例中。
除非明确标识为执行顺序，否则本文描述的任何方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所论述或图示的特定顺序执行。还应理解，除非另有说明，否则可采用附加或替代的步骤。
当部件、元件或层被称为在另一个元件或层“上”，“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，它可直接处于另一部件、元件或层上，直接接合、连接或耦接到该另一部件、元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在”另一元件或层“上”，“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他用语（例如，“之间”与“直接处于之间”、“相邻”与“直接相邻”等）。如本文所用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。
尽管本文可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部段，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部段不应受到这些术语的限制，除非另有说明。这些术语仅可用于区分一个步骤、元件、部件、区域、层或部段与另一步骤、元件、部件、区域、层或部段。除非上下文明确指出，否则当本文中使用时诸如“第一”、“第二”和其他数字术语之类的术语并不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部段可被称为第二步骤、元件、部件、区域、层，或部段。
空间或时间上的相对术语，例如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“之下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，在本文中为了便于描述可用于描述如图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间或时间上的相对术语除了附图中描绘的定向之外，还可意图涵罩使用或操作中的装置或系统的不同定向。
贯穿本公开，数值代表对范围的近似测量或限制，以涵罩与给定值和具有大约所提到的值的实施例以及正好具有所提到的值的实施例的微小偏差。除了在详细描述结尾处提供的工作示例中之外，本说明书（包括所附权利要求）中的所有参数（例如，数量或状态）的数值应理解为在所有情况下都被术语“大约”修饰，无论“大约”实际上是否出现在该数值之前。“大约”即表示确切或精确陈述的数值，并且又表示所述数值允许有一些轻微的不精确性（通过某种方法接近数值的准确性；大约或合理地接近该数值；几乎）。如果“大约”所提供的不精确性在本领域中没有以这种普通含义理解，则如本文所用的“大约”至少表示从测量和使用这些参数的普通方法中可能产生的变化。例如，“大约”可包括如下变化，即：小于或等于5%，可选地小于或等于4%，可选地小于或等于3%，可选地小于或等于2%，可选地小于或等于1%，可选地小于或等于0.5%并且在某些方面可选地小于或等于0.1%。
另外，范围的公开包括所有值的公开以及整个范围内的进一步划分的范围的公开，包括为这些范围给出的端点和子范围。
现在将参照附图更全面地描述示例性实施例。
本技术涉及包括碳添加剂的组合的电化学电池，以及制造和使用其的方法。此类电池可用于车辆或汽车运输应用（例如，摩托车、船、拖拉机、公共汽车、摩托车、移动房屋、露营车和坦克）中。然而，本技术也可用于多种其他行业和应用中，作为非限制性示例，包括航空部件、消费品、装置、建筑物（例如，房屋、办公室、棚屋和仓库）、办公设备和家具以及工业设备机械、农业或农场设备或者重型机械。此外，尽管以下所示的示例性细节包括单个正电极阴极和单个阳极，但技术人员将认识到，本教导还扩展到各种其他配置，包括具有一个或多个阴极和一个或多个阳极的那些配置，以及具有设置在其一个或多个表面上或与其一个或多个表面相邻设置的电活性层的各种集电器。
图1中示出了电化学电池（也称为蓄电池）20的示例性和示意性的图示。蓄电池20包括负电极22（例如，阳极）、正电极24（例如，阴极）和设置在两个电极22、24之间的分隔件26。分隔件26在电极22、24之间提供电分离，即防止物理接触。分隔件26还为锂离子以及在某些情况下的相关阴离子在锂离子的循环期间的内部通过提供最小阻力路径。在各个方面，分隔件26包含电解质30，在某些方面，该电解质30也可存在于固态夹层50、负电极22和/或正电极24中，以便形成连续的电解质网络。在某些变型中，分隔件26可由固态电解质或半固态电解质（例如，凝胶电解质）形成。例如，分隔件26可由多种固态电解质颗粒限定。在固态蓄电池和/或半固态蓄电池的情况下，正电极24和/或负电极22可包括多种固态电解质颗粒。包含在分隔件26中或限定分隔件26的该多种固态电解质颗粒可与包含在正电极24和/或负电极22中的多种固态电解质颗粒相同或不同。
第一集电器32（例如，负集电器）可位于负电极22处或附近。第一集电器32可以是金属箔、金属网格或筛网，或者包含铜或本领域技术人员已知的任何其他适当的导电材料的膨胀金属（expanded metal）。第二集电器34（例如，正集电器）可位于正电极24处或附近。第二电极集电器34可以是金属箔、金属网格或筛网，或者包含铝或本领域技术人员已知的任何其他适当的导电材料的膨胀金属。第一集电器32和第二集电器34可分别收集自由电子并使这些自由电子往返外部电路40移动。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可连接负电极22（通过第一集电器32）和正电极24（通过第二集电器34）。
蓄电池20可在放电期间借助于可逆电化学反应产生电流，该可逆电化学反应当外部电路40闭合（以连接负电极22和正电极24）并且负电极22具有比正电极低的电势时发生。正电极24和负电极22之间的化学势差驱动在负电极22处通过例如嵌入锂的氧化的反应产生的电子朝向正电极24通过外部电路40。也在负电极22处产生的锂离子同时通过分隔件26中包含的电解质30向正电极24转移。这些电子流过外部电路40，并且锂离子迁移穿过包含电解质30的分隔件26，以在正电极24处形成嵌入的锂。如上所述，电解质30通常也存在于负电极22和正电极24中。通过外部电路40的电流可被利用并引导通过负载装置42，直到负电极22中的锂耗尽并且蓄电池20的容量减少。
通过将外部电源连接到锂离子蓄电池20，以逆转电池放电期间发生的电化学反应，可随时对蓄电池20充电或重新供能。将外部电能源连接到蓄电池20促进反应，例如，在正电极24处嵌入锂的非自发氧化，使得产生电子和锂离子。锂离子通过电解质30穿过分隔件26朝向负电极22流回，以为负电极22补充锂（例如，嵌入锂），以用于在下一次蓄电池放电事件期间使用。如此，完整的放电事件继之以完整的充电事件被认为是一个循环，其中锂离子在正电极24和负电极22之间循环。可用于给蓄电池20充电的外部电源可根据蓄电池20的尺寸、构造和特定的最终用途而变化。一些值得注意和示例性的外部电源包括但不限于通过墙壁插座连接到AC电力网的AC-DC转换器和机动车辆交流发电机。
在许多锂离子蓄电池配置中，第一集电器32、负电极22、分隔件26、正电极24和第二集电器34中的每一个被制备为相对薄的层（例如，从几微米到零点几毫米或更小的厚度），并组装成以电气并联布置连接的层，以提供合适的电能和功率封装件。在各个方面，蓄电池20还可包括各种其他部件，虽然这里没有描绘，但是这些其他部件对于本领域技术人员来说是已知的。例如，蓄电池20可包括外壳、垫圈、端子盖、接片、电池端子以及可位于蓄电池20内、包括位于负电极22、正电极24和/或分隔件26之间或周围的任何其他常规部件或材料。图1中所示的蓄电池20包括液体电解质30并示出了蓄电池操作的代表性概念。然而，本技术也适用于包括固态电解质和/或固态电解质颗粒和/或半固态电解质和/或固态电活性颗粒的固态蓄电池和/或半固态蓄电池，如本领域技术人员已知的，它们可具有不同的设计。
蓄电池20的尺寸和形状可根据其设计用于的特定应用而变化。例如，蓄电池供电的车辆和手持消费电子装置是蓄电池20将最有可能设计成不同尺寸、容量和功率输出规格的两个示例。如果负载装置42需要，则蓄电池20也可与其他类似的锂离子电池或蓄电池串联或并联连接，以产生更大的电压输出、能量和功率。因此，蓄电池20可向作为外部电路40的一部分的负载装置42产生电流。当蓄电池20正在放电时，负载装置42可由通过外部电路40的电流供电。虽然电气负载装置42可以是任何数量的已知电动装置，但一些具体示例包括用于电气化车辆、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话和无绳电动工具或电器的电动机。负载装置42也可以是为储存电能的目的而为蓄电池20充电的发电设备。
重新参考图1，正电极24、负电极22和分隔件26可各自在它们的孔内包括电解质溶液或系统30，该电解质溶液或系统30能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子。可在锂离子蓄电池20中使用能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子的任何合适的电解质30，无论其呈固体、液体还是凝胶形式。例如，在某些方面，电解质30可以是包括溶解在有机溶剂或有机溶剂的混合物中的锂盐的非水性液体电解质溶液（例如，> 1 M）。许多常规的非水性液体电解质30的溶液可用于蓄电池20中。
可溶解在有机溶剂中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括六氟磷酸锂（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）、四苯基硼酸锂（LiB(C6H5)4）、双（草酸）硼酸锂（LiB(C2O4)2）（LiBOB），二氟草酸硼酸锂（LiBF2(C2O4)），六氟砷酸锂（LiAsF6），三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3），双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂（LiN(CF3SO2)2）、双（氟磺酰基）亚胺锂（LiN(FSO2)2）（LiSFI）及它们的组合。这些和其他类似的锂盐可溶解在各种非水性非质子有机溶剂中，包括但不限于各种碳酸烷基酯，例如环状碳酸酯（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））、链状碳酸酯（例如，碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC））、脂肪族羧酸酯（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、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）、1,3-二氧戊环）、硫化合物（例如，环丁砜）及它们的组合。
在某些情况下，多孔分隔件26可包括含有聚烯烃的微孔聚合物分隔件。聚烯烃可以是均聚物（衍生自单一单体成分）或杂聚物（衍生自多于一种单体成分），其可以是直链的或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，则聚烯烃可呈现任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些排列。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单体成分的杂聚物，则其同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的混合物，或者PE和/或PP的多层结构化多孔膜。可商购的聚烯烃多孔分隔膜26包括可获得自Celgard LLC的CELGARD® 2500（单层聚丙烯分隔件）和CELGARD® 2320（三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯分隔件）。
当分隔件26是微孔聚合物分隔件时，它可以是单层或多层层压件，该层压件可由干法或湿法工艺制造。例如，在某些情况下，单层的聚烯烃可形成整个分隔件26。在其他方面，分隔件26可以是具有在相对表面之间延伸的大量孔的纤维膜，并且可具有例如小于一毫米的平均厚度。然而，作为另一个示例，相似或不同的聚烯烃的多个离散层可被组装以形成微孔聚合物分隔件26。分隔件26还可包括除聚烯烃之外的其他聚合物，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、聚酰亚胺、聚（酰胺-酰亚胺）共聚物、聚醚酰亚胺和/或纤维素，或者适于产生所需多孔结构的任何其他材料。聚烯烃层和任何其他可选的聚合物层可进一步包括在分隔件26中作为纤维层，以帮助为分隔件26提供适当的结构和孔隙特性。
在某些方面，分隔件26还可包括陶瓷材料和耐热材料中的一种或多种。例如，分隔件26也可与陶瓷材料和/或耐热材料混合，或者分隔件26的一个或多个表面可涂覆有陶瓷材料和/或耐热材料。在某些变型中，陶瓷材料和/或耐热材料可设置在分隔件26的一侧或多侧上。陶瓷材料可选自由以下各项组成的组，即：氧化铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）及其组合。耐热材料可选自由以下各项组成的组，即：Nomex、芳纶及其组合。
考虑了用于形成分隔件26的各种常规可用的聚合物和商业产品，以及可用于生产这种微孔聚合物分隔件26的许多制造方法。在每种情况下，分隔件26可具有如下平均厚度，即：大于或等于大约1 μm至小于或等于大约50 μm，并且在某些情况下，可选地大于或等于大约1 μm至小于或等于大约20 μm。
在各个方面，如图1中所示的多孔分隔件26和/或设置在多孔分隔件26中的电解质30可用既用作电解质又用作分隔件的固态电解质（“SSE”）层和/或半固态电解质（例如，凝胶）层代替。固态电解质层和/或半固态电解质层可设置在正电极24和负电极22之间。固态电解质层和/或半固态电解质层有助于锂离子的转移，同时机械分离负电极22和正电极24并提供负电极22和正电极24之间的电绝缘。作为非限制性示例，固态电解质层和/或半固态电解质层可包括多种固态电解质颗粒，诸如LiTi2(PO4)3、LiGe2(PO4)3、Li7La3Zr2O12、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3PO4、Li3N、Li4GeS4、Li10GeP2S12、Li2S-P2S5、Li6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li3OCl、Li2.99 Ba0.005ClO，或它们的组合。半固态电解质层可包括聚合物主体和液体电解质。聚合物主体可包括例如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚环氧乙烷（PEO）、聚环氧丙烷（PPO）、聚丙烯腈（PAN）、聚甲基丙烯腈（PMAN）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、羧甲基纤维素（CMC）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）及它们的组合。在某些变型中，半固体或凝胶电解质也可见于正电极和/或负电极22、24中。
正电极24可由锂基活性材料形成，该锂基活性材料能够经历锂的嵌入和脱嵌、合金化和脱合金、或电镀和剥离，同时用作锂离子蓄电池的正极端子。正电极24可由多个电活性材料颗粒限定。这种正电活性材料颗粒可设置在一层或多层中，以限定正电极24的三维结构。电解质30可例如在电池组装之后被引入，并且包含在正电极24的孔内。在某些变型中，正电极24可包括多种固态电解质颗粒。在每种情况下，正电极24可具有如下平均厚度，即：大于或等于大约1 μm至小于或等于大约500 μm，并且在某些方面，可选地大于或等于大约10 μm至小于或等于大约200 μm。
在各个方面，正电活性材料包括由LiMeO2表示的层状氧化物，其中Me是过渡金属，例如钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）、钒（V）或它们的组合。在其他变型中，正电活性材料包括由LiMePO4表示的橄榄石型氧化物，其中Me是过渡金属，例如钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）、钒（V）或它们的组合。在再其他的变型中，正电活性材料包括由Li3Me2(PO4)3表示的单斜晶型氧化物，其中Me是过渡金属，例如钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）、钒（V）或它们的组合。在再其他的变型中，正电活性材料包括由LiMe2O4表示的尖晶石型氧化物，其中Me是过渡金属，例如钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）、钒（V）或它们的组合。在再其他的变型中，正电活性材料包括由LiMeSO4F和/或LiMePO4F代表的羟磷锂铁石（tavorite），其中Me是过渡金属，例如钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）、钒（V）或它们的组合。在更进一步的变型中，正电活性材料包括正电活性材料的组合。例如，正电极24可包括一种或多种层状氧化物、一种或多种橄榄石型氧化物、一种或多种单斜晶型氧化物、一种或多种尖晶石型氧化物、一种或多种羟磷锂铁石或它们的组合。
在某些变型中，正电活性材料可任选地与提供电子传导路径的电子传导材料和/或改善正电极24的结构完整性的聚合物粘合剂材料混合（例如，浆料浇铸）。例如，正电极24可包括重量百分比大于或等于大约30%至小于或等于大约98%、并且在某些方面可选地大于或等于大约60%至小于或等于大约95%的正电活性材料；重量百分比大于或等于0%至小于或等于大约30%、并且在某些方面可选地大于或等于大约0.5%至小于或等于大约10%的电子导电材料；以及重量百分比大于或等于0%至小于或等于大约20%、并且在某些方面可选地大于或等于大约0.5%至小于或等于大约10%的聚合物粘合剂。
示例性聚合物粘合剂包括聚酰亚胺、聚酰胺酸、聚酰胺、聚砜、聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚四氟乙烯（PTFE）共聚物、聚丙烯酸（PAA）、聚偏二氟乙烯和聚六氟丙烯的共混物、聚氯三氟乙烯、三元乙丙橡胶（EPDM）、羧甲基纤维素（CMC）、丁腈橡胶（NBR）、丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、海藻酸钠和/或海藻酸锂。电子导电材料可包括例如碳基材料、粉状镍或其他金属颗粒或者导电聚合物。碳基材料可包括例如石墨、乙炔黑（例如，KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纳米纤维和纳米管（例如，单壁碳纳米管（SWCNT）、多壁碳纳米管（MWCNT））、石墨烯（例如，石墨烯薄片（GNP）、氧化石墨烯薄片）、导电炭黑（例如，SuperP（SP））等的颗粒。导电聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在每个变型中，20可具有大于或等于大约1.1至小于或等于大约2.2的负电极锂容量与正电极锂容量（N/P）比。
负电极22可由能够用作锂离子蓄电池的负极端子的锂主体材料形成。在各个方面，负电极22可由多种负电活性材料颗粒限定。这种负电活性材料颗粒可设置在一层或多层中，以限定负电极22的三维结构。电解质30可例如在电池组装之后被引入，并且包含在负电极22的孔内。例如，在某些变型中，负电极22可包括多种固态电解质颗粒。在每种情况下，负电极22（包括一层或多层）可具有如下厚度，即：大于或等于大约0 nm至小于或等于大约500 μm，可选地大于或等于大约1 μm至小于或等于大约500 μm，并且在某些方面，可选地大于或等于大约10 μm至小于或等于大约200 μm。
在各个方面，负电极22包括硅基电活性材料，例如包括锂-硅、含硅的二元和三元合金和/或含锡合金（例如，Si、Li-Si、SiOx （其中0 ≤ x ≤ 2）、锂掺杂的SiOx（其中0 ≤ x≤ 2）、Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2等）。在其他变型中，负电极22包括一种或多种其他体积膨胀材料（例如，铝、锗、锡）。在再其他的变型中，负电极22可以是包括两种或更多种负电活性材料的复合电极。例如，负电极22可包括第一负电活性材料和第二负电活性材料。第一负电活性材料可以是体积膨胀材料，例如包括硅、铝、锗和/或锡。第二负电活性材料可包括碳质材料（例如，石墨、硬碳和/或软碳）。例如，在某些变型中，负电活性材料可包括碳质硅基复合材料，例如包括重量百分比大约10%的SiOx （其中0 ≤ x ≤ 2）和重量百分比大约90%的石墨。在更进一步的变型中，负电活性材料可包括碳包硅。如技术人员将认识到的，在每个变型中，可对负电活性材料预锂化。
在各个方面，负电活性材料可与碳添加剂的组合混合（例如，浆料浇注），该组合中的碳添加剂可具有不同的几何形状和长径比（或纵横比，aspect ratio），使得实现渗滤（percolation），同时使负电极22中的局部和总电阻最小化。例如，碳添加剂的组合可确保负电极22包括完全连接的碳网络。在某些变型中，负电极22可包括第一碳添加剂、第二碳添加剂和/或第三碳添加剂。第一碳添加剂可具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比。第一碳添加剂可具有大于或等于大约62 m2/g至小于或等于大约65 m2/g的比重表面积（gravimetric surface area）。第二碳添加剂可具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比。第二碳添加剂可具有大于或等于大约50 m2/g至小于或等于大约80 m2/g的比重表面积。第三碳添加剂可具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。第三碳添加剂可具有大于或等于大约300 m2/g的比重表面积。
第一碳添加剂可在电活性材料的表面处或附近提供局部连接性。第一碳添加剂可以是基本上球形的。第二碳添加剂可包括薄片，其具有大于或等于大约2 μm至小于或等于大约25 μm的平均粒径以及小于或等于大约100 nm的平均厚度。在某些变型中，限定第二碳添加剂的薄片可定向为与第一集电器32的主要尺寸基本上平行。这种平行定向可有助于在面内方向上在整个负电极22中建立改进的电连接性。第三碳添加剂可以是纤维状的，例如包括具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约100 nm的平均直径的纳米管或纳米纤维。第二和第三碳添加剂可跨越在限定电活性材料颗粒的多种颗粒之间，以提供长距离连接性。更具体而言，第二碳添加剂可在负电极22内提供平行于第一集电器32的水平传导性。
在某些变型中，第一碳添加剂可包括炭黑（CB）（例如，乙炔黑、炉黑），第二碳添加剂可包括石墨烯纳米片（GNP）和/或导电石墨颗粒和/或剥离石墨片，并且第三碳添加剂可包括碳纳米管（CNT）和/或碳纳米纤维，其中可调整可选的官能团（例如，—COOH、—OH），以有助于与可选的粘合剂的更强相互作用，如下文进一步详述的。负电极22可包含重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%、并且在某些方面可选地为大约95%的负电活性材料；重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%、并且在某些方面可选地为大约0.5%的第一碳添加剂；重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%、并且在某些方面可选地为大约0.5%的第二碳添加剂；以及重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%、并且在某些方面可选地为大约0.1%的第三碳添加剂。
在进一步的变型中，与正电活性材料一样，负电活性材料可任选地与聚合物粘合剂材料混合（例如，浆料浇铸），该聚合物粘合剂材料改善负电极22的结构完整性。例如，负电极22可包含重量百分比大于或等于0%至小于或等于大约20%、可选地大于或等于0.5%至小于或等于大约20%、并且在某些方面可选地大于或等于大约0.5%至小于或等于大约10%的聚合物粘合剂材料。结合到负电极22中的聚合物粘合剂材料可与结合到正电极24中的聚合物粘合剂材料相同或不同。
在各个方面，本公开提供了一种用于制备电极的方法，所述电极如图1中所示的负电极22。该方法可包括使第一碳添加剂（例如，炭黑）和第二碳添加剂（例如，石墨烯纳米片和/或导电石墨颗粒和/或剥离石墨片）接触，以形成干混合物。该方法还可包括使包含第三碳添加剂（例如，碳纳米管和/或纳米纤维）的分散体（dispersion）接触到该干混合物，以形成第一混合物。这种两步过程（即，形成干混合物并随后接触第三添加剂分散体）可有助于改善浆料分散。例如，由于其相对低的密度，石墨烯纳米片可有助于平衡浆料在结垢（scaling）期间的粘度，该粘度是颗粒与溶剂体积比的函数。在某些变型中，该分散体可以是水性分散体。在其他变型中，该分散体可包括其他溶剂，如聚酰亚胺。该方法还可包括使粘合剂溶液的第一部分接触到第一混合物，以形成第二混合物。该方法还可包括使粘合剂溶液的第二部分和/或溶剂（例如，水）接触到第二混合物，以形成限定负电极浆料的第三混合物。除了粘合剂之外，粘合剂溶液还可包括负电活性材料（例如，石墨和/或SiOx （其中0≤ x ≤ 2））。
在以下非限制性示例中进一步说明当前技术的某些特征。
示例1
可根据本公开的各个方面来制备示例性蓄电池和蓄电池单元。例如，示例性纽扣电池210可包括：重量百分比大约95%的负电活性材料复合材料，其包括石墨和SiOx （其中0≤ x ≤ 2）；重量百分比大约1.1%的导电填料，其包括重量百分比大约0.5%的炭黑、重量百分比大约0.5%的石墨烯纳米片以及重量百分比大约0.1%的碳纳米管；以及重量百分比大约3.9%的粘合剂。第一对比纽扣电池220可类似地包括：重量百分比大约95%的负电活性材料复合材料，其包含石墨和SiOx （其中0 ≤ x ≤ 2）；以及重量百分比大约3.9%的粘合剂。第一对比纽扣电池220还可包括重量百分比大约1.1%的导电填料。然而，在这种情况下，该导电填料包括重量百分比大约1%的炭黑和重量百分比大约0.1%的碳纳米管。第二对比纽扣电池230可类似地包括：重量百分比大约95%的负电活性材料复合材料，其包含石墨和SiOx （其中0 ≤ x ≤ 2）；以及重量百分比大约3.9%的粘合剂。第二对比纽扣电池230还可包括重量百分比大约1.1%的导电填料。然而，在这种情况下，该导电填料包括重量百分比大约1.1%的炭黑。示例性纽扣电池210和对比纽扣电池220、230的组成总结如下以供快速参考。
图2A是展示了示例性纽扣电池210与第一和第二对比纽扣电池220、230相比的放电容量的图解图示，其中x轴200代表循环次数，并且y轴202代表放电容量（mAh/cm2）。如所示，根据本公开的各个方面制备的示例性纽扣电池210具有改善的长期性能。
图2B是展示了示例性纽扣电池210与第一和第二对比纽扣电池220、230相比的放电容量保持率的图解图示，其中x轴250代表循环次数，并且y轴252代表放电容量（mAh/cm2）。如所示，根据本公开的各个方面制备的示例性纽扣电池210具有改善的长期性能。
示例2
可根据本公开的各个方面来制备示例性蓄电池和蓄电池单元。例如，示例性软包电池可包括：重量百分比大约95%的负电活性材料复合材料，其包括石墨和SiOx （其中0 ≤x ≤ 2）；重量百分比大约1.1%的导电填料，其包括重量百分比大约0.5%的炭黑、重量百分比大约0.5%的石墨烯纳米片以及重量百分比大约0.1%的碳纳米管；以及重量百分比大约3.9%的粘合剂。第一对比软包电池可类似地包括：重量百分比大约95%的负电活性材料复合材料，其包含石墨和SiOx （其中0 ≤ x ≤ 2）；以及重量百分比大约3.9%的粘合剂。第一对比软包电池还可包括重量百分比大约1.1%的导电填料。然而，在这种情况下，该导电填料包括重量百分比大约1%的炭黑和重量百分比大约0.1%的碳纳米管。第二对比软包电池可类似地包括：重量百分比大约95%的负电活性材料复合材料，其包含石墨和SiOx （其中0 ≤ x ≤2）；以及重量百分比大约3.9%的粘合剂。第二对比软包电池还可包括重量百分比大约1.1%的导电填料。然而，在这种情况下，该导电填料包括重量百分比大约1.1%的炭黑。示例性软包电池和对比软包电池的组成总结如下以供快速参考。
图3A是展示了示例性软包电池与第一和第二对比软包电池相比的放电容量的图解图示，其中x轴300代表循环次数，并且y轴302代表放电容量（mAh/cm2）。实线代表示例性软包电池。点划线代表第一对比软包。短划线代表第二对比软包。如所示，根据本公开的各个方面制备的示例性软包电池具有改善的长期性能。
图3B是展示了示例性软包电池与第一和第二对比软包电池相比的放电容量保持率的图解图示，其中x轴350代表循环次数，并且y轴352代表放电容量（mAh/cm2）。实线代表示例性软包电池。点划线代表第一对比软包。短划线代表第二对比软包。如所示，根据本公开的各个方面制备的示例性软包电池具有改善的长期性能。
出于说明和描述的目的，提供了实施例的前述描述。其并非旨在详尽无遗或限制本公开。特定实施例的各个元件或特征一般不限于该特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的并且可在选定实施例中使用，即使没有具体示出或描述。它们也可以多种方式变化。此类变化不应被视为背离本公开，并且所有此类修改旨在包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于循环锂离子的电化学电池的电极，所述电极包括：
含硅电活性材料；
第一碳添加剂，其具有大于或等于大约1至小于或等于大约3的第一长径比；
第二碳添加剂，其具有大于或等于大约3至小于或等于大约500的第二长径比；以及
第三碳添加剂，其具有大于或等于大约20至小于或等于大约10,000的第三长径比。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述第一碳添加剂包括炭黑。
3. 根据权利要求1所述的电极，其中，所述第二碳添加剂包括薄片，所述薄片具有大于或等于大约2 μm至小于或等于大约25 μm的平均粒径以及小于或等于大约100 nm的平均厚度。
4.根据权利要求3所述的电极，其中，所述第二碳添加剂选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、导电石墨颗粒、剥离石墨片以及它们的组合。
5. 根据权利要求1所述的电极，其中，所述第三碳添加剂包括纳米管或纳米纤维，所述纳米管或纳米纤维具有大于或等于大约10 nm至小于或等于大约100 nm的平均直径。
6.根据权利要求5所述的电极，其中，所述第三碳添加剂选自由以下各项组成的组：碳纳米管、碳纳米纤维以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电极包括：
重量百分比大于或等于大约80%至小于或等于大约97%的所述含硅电活性材料；
重量百分比大于或等于大约0.5%至小于或等于大约15%的所述第一碳添加剂；
重量百分比大于或等于大约0.1%至小于或等于大约15%的所述第二碳添加剂；以及
重量百分比大于或等于大约0.01%至小于或等于大约5%的所述第三碳添加剂。
8.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电极还包含聚合物粘合剂。
9.根据权利要求8所述的电极，其中，所述电极包括重量百分比大于或等于0.5%至小于或等于大约20%的所述聚合物粘合剂。
10.根据权利要求8所述的电极，其中，所述电极包括：
重量百分比大约95%的所述含硅电活性材料；
重量百分比大约0.5%的所述第一碳添加剂；
重量百分比大约0.5%的第二碳添加剂；
重量百分比大约0.1%的所述第三碳添加剂；以及
重量百分比大约3.9%的所述聚合物粘合剂。
CN202211326653.XA 2022-05-25 2022-10-27 用于含硅电极的碳添加剂 Pending CN117174902A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/824,601 US20230387398A1 (en) 2022-05-25 2022-05-25 Carbon additives for silicon-containing electrodes
US17/824601 2022-05-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117174902A true CN117174902A (zh) 2023-12-05

Family

ID=88696850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211326653.XA Pending CN117174902A (zh) 2022-05-25 2022-10-27 用于含硅电极的碳添加剂

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230387398A1 (zh)
CN (1) CN117174902A (zh)
DE (1) DE102022127631A1 (zh)

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022127631A1 (de) 2023-11-30
US20230387398A1 (en) 2023-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115548419A (zh) 过锂化阴极材料及其形成方法
CN115241456A (zh) 具有用于控制固体电解质界面层的形成的表面结构的集流体
CN114597346A (zh) 电化学电池的厚电极
CN117638066A (zh) 用于厚电极的结晶材料添加剂
CN117174496A (zh) 用于电容器辅助电池组的电解质添加剂
CN115440947A (zh) 层状阳极材料
CN116565156A (zh) 用于高性能电池组的电活性材料
US20230387398A1 (en) Carbon additives for silicon-containing electrodes
US20240128512A1 (en) Electrolytes for electrochemical cells that cycle lithium ions
US20230369568A1 (en) Lithium-containing particle coatings for positive electroactive materials
US20240055593A1 (en) Hybrid battery having improved thermal stability and power performance
US20230411614A1 (en) Electrolyte additive for nickel-rich cathodes and silicon-containing anodes
US20230411623A1 (en) Electrode having an alternating layered structure
US20240079649A1 (en) Electrolytes for electrochemical cells that cycle lithium ions
US20240030405A1 (en) Composite electrodes
US20240047673A1 (en) Nitrate salt cathode additives and methods of using and forming the same
US20240204192A1 (en) Silicon-containing electrodes including cross-linked polymeric binders and methods for preparing the same
US20240047666A1 (en) Electrolytes for electrochemical cells that cycle lithium ions
US20240170720A1 (en) Electrolytes for electrochemical cells that cycle lithium ions
US20240047654A1 (en) Lithium-rich, manganese-rich layered electroactive materials and methods of forming the same
US20240120486A1 (en) Silicon-containing electrodes and methods for preparing the same
US20240030456A1 (en) Protective carbon coatings for electrode assembly
CN117352730A (zh) 用于富锂层状阴极的电解质添加剂
CN117525402A (zh) 用于电活性材料颗粒的保护性颗粒涂层及其形成方法
CN117476862A (zh) 用于电化学电池的预锂化多孔层及其形成方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination