CN117638219A - 用于循环锂离子的电化学电池的电解质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于循环锂离子的电化学电池的电解质。提供了循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可以包括第一多孔电极、第二多孔电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的隔离层。所述第一多孔电极包含与富镍正极电活性材料混合的电解质。所述第二多孔电极包含与基于硅的负极电活性材料混合的所述电解质。所述电解质包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂和溶剂混合物。所述电解质添加剂可以选自琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N‑羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐、及其组合。所述溶剂混合物可以以约3：7的质量比包含碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)。

Description

用于循环锂离子的电化学电池的电解质
技术领域
本申请涉及用于循环锂离子的电化学电池的电解质体系。
背景技术
本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
需要先进的储能设备和系统以满足各种产品的能量和/或电力需求，所述产品包括汽车产品例如启停系统(例如12V启停系统)、电池组辅助系统、混合动力电动汽车(″HEV")和电动汽车(″EV″)。典型的锂离子电池组包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。所述两个电极中的一个可以充当正电极或阴极以及另一个电极可以充当负电极或阳极。填充有液体或固体电解质的隔离件可以设置于所述负电极和正电极之间。所述电解质适合在所述电极之间传导锂离子并且类似于所述两个电极可以是固体和/或液体形式和/或其杂合体。在包括固态电极和固态电解质(或固态隔离件)的固态电池组的情况中，所述固态电解质(或固态隔离件)可以将所述电极物理隔离从而不需要单独的隔离件。
很多不同的材料可以用来产生用于锂离子电池组的组件。例如，在各个方面中，正电极包含富镍电活性材料(例如，过渡金属晶格上大于或等于约0.8摩尔分数)，例如NMC(LiNi1-x-yCoxMnyO2)(其中0.01≤x≤0.33、0.01≤y≤0.33)或NCMA(LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2)(其中0.02≤x≤0.20、0.01≤y≤0.12、0.01≤z≤0.08)，所述富镍电活性材料能够提供改善的容量能力(例如大于200mAh/g)同时在不损害所述正电极的结构稳定性的情况下允许额外的锂提取。负电极通常包含锂插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别的优点。尽管具有372mAh·g-1的理论比容量的石墨在锂离子电池组中使用最为广泛，但具有高比容量例如范围在约900mAh·g-1至约4200mAh·g-1的高比容量的阳极材料正越来越受到关注。例如，硅具有已知最高的锂理论容量(例如约4200mAh·g-1)，使其成为用于可再充电锂离子电池组的有吸引力的材料。然而，在锂化和去锂化期间此类材料通常易于遭受巨大的体积膨胀，其可导致颗粒粉碎、电接触的丧失和不稳定的固体-电解质界面(SEI)形成，造成电极塌陷(electrode collapse)和容量衰退。因此，希望开发能够应对这些挑战的改善的材料以及制造和使用它们的方法。
发明内容
本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开涉及用于循环锂离子的电化学电池的电解质体系。所述电解质体系可以包含一种或多种电解质添加剂。所述电化学电池可以包括具有富镍电活性材料的一个或多个正电极和具有体积膨胀负极电活性材料例如硅的一个或多个负电极。
在各个方面中，本公开提供循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可以包括第一电极、第二电极和设置在所述第一电极和第二电极之间的隔离层。所述第一电极可以包含含有大于或等于约80％镍(Ni)的富镍正极电活性材料。所述第二电极可以包含基于硅的负极电活性材料。所述电化学电池还可以包括与第一电极中的所述富镍正极电活性材料和第二电极中的所述基于硅的负极电活性材料中的至少一者接触的电解质。所述电解质可以包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂。所述电解质添加剂可以选自琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐(N-carboxyanhydride)、戊二酸酐、靛红酸酐(isatin anhydride)、柠康酸酐(citraconic anhydride)、及其组合。
在一方面中，所述电解质可以进一步包含溶剂，所述溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧戊环、环丁砜(sulfolane)、及其组合。
在一方面中，所述电解质可以进一步包含含有碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
在一方面中，碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比可以为约3∶7。
在一方面中，所述电解质可以包含约1重量％的所述电解质添加剂。
在一方面中，所述电解质添加剂可以包括琥珀酸酐(SA)。
在一方面中，所述富镍正极电活性材料可以由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)、及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1。
在一方面中，所述富镍正极电活性材料可以由以下化学式表示：
LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2
其中0.02≤x≤0.20、0.01≤y≤0.12、0.01≤z≤0.08。
在一方面中，所述第二电极可以是包含所述基于硅的负极电活性材料和碳质负极电活性材料的复合电极。
在一方面中，所述复合电极可以包含大于或等于约1重量％至小于或等于约50重量％的所述基于硅的负极电活性材料和大于或等于约50重量％至小于或等于约80重量％的所述碳质负极电活性材料。
在一方面中，所述基于硅的负极电活性材料可以选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合。
在各个方面中，本公开提供循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可以包括第一多孔电极、第二多孔电极和设置在所述第一多孔电极和所述第二多孔电极之间的隔离层。所述第一多孔电极可以包含与正极电活性材料混合的电解质，所述正极电活性材料由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1。所述第二多孔电极可以包含与基于硅的负极电活性材料混合的所述电解质。所述电解质可以包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂。所述电解质添加剂可以选自：琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐、及其组合。
在一方面中，所述电解质可以进一步包含含有碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
在一方面中，碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比可以为约3∶7。
在一方面中，所述电解质可以包含约1重量％的所述电解质添加剂。
在一方面中，所述电解质添加剂可以包括琥珀酸酐(SA)。
在一方面中，所述第二电极可以是包含所述基于硅的负极电活性材料和碳质负极电活性材料的复合电极。
在一方面中，所述复合电极可以包含大于或等于约1重量％至小于或等于约50重量％的所述基于硅的负极电活性材料和大于或等于约50重量％至小于或等于约80重量％的所述碳质负极电活性材料。
在一方面中，所述基于硅的负极电活性材料可以选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合。
在各个方面中，本公开提供循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可以包括第一多孔电极、第二多孔电极和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的隔离层。所述第一多孔电极可以包含与正极电活性材料混合的电解质，所述正极电活性材料由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1。所述第二多孔电极可以包含与基于硅的负极电活性材料混合的所述电解质，所述基于硅的负极电活性材料选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合。所述电解质可以包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂和溶剂混合物。所述电解质添加剂可以选自：琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐、及其组合。所述溶剂混合物可以以约3∶7的质量比包含碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)。
其它适用领域由本文中提供的描述将变得显而易见。本概述中的描述和具体例子仅意在进行说明并且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的目的，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包含一种或多种电解质添加剂的一种示例电化学电池组电池的图示；
图2A是表明根据本公开的各个方面包含一种或多种电解质添加剂的示例电池的放电容量与循环关系的图解图示；
图2B是表明根据本公开的各个方面包含一种或多种电解质添加剂的示例电池的放电容量保持与循环关系的图解图示；
图2C是表明根据本公开的各个方面包含一种或多种电解质添加剂的示例电池在三个形成循环之后的电化学阻抗的图解图示；
图2D是表明根据本公开的各个方面包含一种或多种电解质添加剂的示例电池的放电倍率性能(discharge rate performance)的图解图示；
图3A是表明根据本公开的各个方面包含一种或多种电解质添加剂的示例电池的放电容量与循环关系的图解图示；和
图3B是表明根据本公开的各个方面包含一种或多种电解质添加剂的示例电池的放电容量保持与循环关系的图解图示。
贯穿附图的几个视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
提供了示例性实施方案从而本公开将是彻底的并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，例如具体组合物、组分、装置和方法的例子，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员将显而易见的是，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，并且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，否则如本文中所用的那样单数形式″一个″、″一种″和″该″可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，因此说明了所描述特征、要素、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、要素、组分和/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，但在某些方面中，该术语相反地可替代地理解为更具限制性和局限性的术语，如″由……组成″或″基本由……组成″。由此，对叙述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任意给定实施方案，本公开还特别包括由或基本由此类所述组合物、材料、组分、要素、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、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在″基本由……组成″的情况下，从此类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、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是不实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组分、要素、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展示的特定次序实施，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步骤。
当部件、元件或层被提到在另一元件或层″上″、″啮合″、″连接″或″耦合″到另一元件或层上，其可以直接在另一部件、元件或层上、啮合、连接或耦合到另一部件、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、″直接啮合″、″直接连接″或″直接耦合″到另一元件或层上，可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″在…之间″vs″直接在…之间″，″相邻″vs″直接相邻″等)。如本文中所用的那样，术语″和/或″包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或区段，但这些步骤、元件、部件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制，除非另外指明。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或区段区分于另一步骤、元件、部件、区域、层或区段。除非上下文中清楚明示，否则术语例如″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、部件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、部件、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的相对术语，例如″之前″、″之后″、″内″、″外″、″下″、″下方″、″下部″、″上″、″上部″等描述图中所示的一个元件或特征相对其他元件或特征的关系。空间或时间上的相对术语可旨在包括除图中所示的取向外装置或系统在使用或操作中的不同取向。
在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以包括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。除了在具体实施方式部分最后提供的实施例中之外，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″约″修饰，无论在数值前是否实际出现″约″。″约″是准确地或精确地指所标明的数值并且还是指所述数值允许一定的轻微不精确(有些接近精确的该值；大致或合理地接近该值；几乎)。如果由″约″提供的不精确性在本领域中不以这种普通含义理解，则本文所用的″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，″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。
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。
本公开涉及用于循环锂离子的电化学电池的电解质体系。所述电解质体系可以包含一种或多种电解质添加剂。所述电化学电池可以包括具有富镍电活性材料的一个或多个正电极和具有体积膨胀负极电活性材料例如硅的一个或多个负电极。此类电池可以用在车辆或机动运输应用(例如摩托车、船、拖拉机、公交车、摩托车、活动房屋、野营车和坦克)中。然而，本技术也可以用在各种各样的其他工业和应用中，就非限制性的举例而言，包括航空航天组件、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、农业或农场设备或重型机械。此外，虽然下文详细示出的示例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也扩展至各种其他配置，包括具有一个或多个阴极和一个或多个阳极以及带有设置于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流体的那些。
图1中示出了电化学电池(也称为电池组)20的示例性和示意性图示。电池组20包括负电极22(例如阳极)、正电极24(例如阴极)和设置于所述两个电极22、24之间的隔离件26。隔离件26在电极22、24之间提供电隔离-防止物理接触。隔离件26还提供在锂离子循环期间用于锂离子和在某些情况中相关阴离子的内部通行的最小阻力路径。在各个方面中，隔离件26可以包含电解质30，在某些方面中，电解质30也可以存在于负电极22和/或正电极24中，从而形成连续电解质网络。在某些变型中，隔离件26可以由固态电解质或半固态电解质(例如凝胶电解质)形成。例如，隔离件26可以由多个固态电解质颗粒限定。在固态电池组和/或半固态电池组的情况中，正电极24和/或负电极22可以包含多个固态电解质颗粒。包含在隔离件26中或限定隔离件26的所述多个固态电解质颗粒可以与包含在正电极24和/或负电极22中的所述多个固态电解质颗粒相同或不同。
第一集流体32(例如负极集流体)可以布置在负电极22(其也可被称为负极电活性材料层)处或附近。第一集流体32与负电极22一起可以被称为负电极组合体。尽管未示出，但技术人员将认识到，在某些变型中，负电极22(也称为负极电活性材料层)可以设置在第一集流体32的一个或多个平行侧上。类似地，技术人员将认识到，在其他变型中，负极电活性材料层可以设置在第一集流体32的第一侧上，并且正极电活性材料层可以设置在第一集流体32的第二侧上。在每种情况中，第一集流体32可以为金属箔、金属栅或网、或拉制金属网(expanded metal)，其包含铜或本领域技术人员知晓的任何其他合适的导电材料。
第二集流体34(例如正极集流体)可以布置在正电极24(其也可被称为正极电活性材料层)处或附近。第二集流体34与正电极24一起可以被称为正电极组合体。尽管未示出，但技术人员将认识到，在某些变型中，正电极24(也称为正极电活性材料层)可以设置在第二集流体34的一个或多个平行侧上。类似地，技术人员将认识到，在其他变型中，正极电活性材料层可以设置在第二集流体34的第一侧上，并且负极电活性材料层可以设置在第二集流体34的第二侧上。在每种情况中，第二电极集流体34可以为金属箔、金属栅或网、或拉制金属网，其包含铝或本领域技术人员知晓的任何其他合适的导电材料。
第一集流体32和第二集流体34可以各自向和从外部电路40收集和移动自由电子。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可以连接负电极22(通过第一集流体32)和正电极24(通过第二集流体34)。电池组20可以在放电期间通过可逆电化学反应生成电流，所述可逆电化学反应在外部电路40闭合(以连接负电极22和正电极24)以及负电极22具有比正电极低的电位时发生。正电极24与负电极22之间的化学势差将由在负电极22处的反应例如嵌入的锂的氧化产生的电子经过外部电路40向正电极24驱动。同样在负电极22处产生的锂离子同时通过包含在隔离件26中的电解质30向正电极24转移。电子流过外部电路40并且锂离子迁移穿过含有电解质30的隔离件26以在正电极24处形成嵌入的锂。如上所述，电解质30典型地也存在于负电极22和正电极24中。经过外部电路40的电流能够被控制并且引导通过负载装置42，直到负电极22中的锂被耗尽并且电池组20的容量减少。
电池组20能通过将外部电源连接至锂离子电池组20以逆转在电池组放电期间发生的电化学反应而在任何时候充电或再充能。将外部电能源与电池组20连接推动正电极24处的反应例如嵌入的锂的非自发氧化从而产生电子和锂离子。所述锂离子通过电解质30穿过隔离件26流回至负电极22以向负电极22补充在下一个电池组放电事件期间使用的锂(例如嵌入的锂)。如此，一个完整放电事件接着一个完整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。可以用来为电池组20充电的外部电源可以取决于电池组20的尺寸、构造和特定最终用途而变化。一些值得注意的和示例性的外部电源包括但不限于通过壁装插座连接至交流电网的交流-直流转换器和机动车交流发电机。
在很多锂离子电池组配置中，将第一集流体32、负电极22、隔离件26、正电极24和第二集流体34的每一个制备为相对薄的层(例如从几微米至几分之一毫米或更小的厚度)并以电并联布置连接的层组装以提供合适的电能和功率包。在各个方面中，电池组20还可以包括尽管没有在本文中描绘但却为本领域技术人员所知晓的各种其他组件。例如，电池组20可以包括壳体、垫片(gaskets)、端盖(terminal caps)、极耳(tabs)、电池组端子(battery terminals)和可以位于电池组20内(包括在负电极22、正电极24和/或隔离件26之间或周围)的任何其他常规的组件或材料。图1中示出的电池组20包括液体电解质30并展示了电池组运行的代表性概念。
电池组20的尺寸和形状可以取决于其所设计用于的特定应用而变化。例如，电池组供电的车辆和手持消费电子装置是其中电池组20最有可能会被设计为不同的尺寸、容量和功率输出规格的两个例子。如果负载装置42需要，电池组20也可以与其他相似的锂离子电池或电池组串联或并联连接以产生更大的电压输出、能量和功率。因此，电池组20能生成电流至为外部电路40的一部分的负载装置42。负载装置42可以由在电池组20放电时经过外部电路40的电流供电。尽管电负载装置42可以是任意数量的已知电供能的装置，但几个具体的例子包括用于电气化车辆的电动机、笔记本电脑、平板电脑、移动电话和无绳电动工具或器具。负载装置42也可以是出于储存电能的目的而对电池组20充电的发电装置。
重新参考图1，正电极24、负电极22和隔离件26可以各自在它们的孔隙内包含电解质溶液或体系30，能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子。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，无论是固体、液体或凝胶形式，都可以在锂离子电池组20中使用。在每种变型中，电解质30包含电解质添加剂。例如，所述电解质30可以包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约3重量％，任选地大于或等于约0.8重量％至小于或等于约2.5重量％，以及在某些方面中，任选地大于或等于约1.0重量％至小于或等于约2.0重量％的所述电解质添加剂。
在某些变型中，所述电解质添加剂可以包括琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐和/或具有类似官能团(例如酰基-O-酰基或RC(＝O)OC(＝O))的其他化合物。所述电解质添加剂可以帮助减少或抑制电活性材料(例如正极电活性材料)和电解质30之间的副反应。例如，在第一或形成循环期间和/或高温(例如约55℃)循环之后，所述电解质添加剂可以帮助在正极电活性材料的暴露表面上形成阴极电解质界面(CEI)层或膜。所述阴极电解质界面(CEI)层或膜可以降低正极电活性材料的表面活性，并且可以帮助改善电池组20的循环稳定性和放电倍率性能。此外，由于所述电解质添加剂而形成的基本上均匀的阴极电解质界面(CEI)层可以帮助减缓过渡金属迁移、抑制极化或局部过度充电(overcharge)并清除氢氟酸(HF)物类，这可有助于电化学性能的改善。
在某些变型中，电解质30可以是包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐的非水性液体电解质溶液(例如＞1M)。可以溶解在有机溶剂中以形成所述非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性清单包括六氟磷酸锂(LiPp6)、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)亚胺锂(LiN(FSO2)2)(LiSFI)、及其组合。
这些和其他相似的锂盐可以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)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)等等)，直链碳酸酯(例如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等等)，脂肪族羧酸酯(例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯等等)，γ-内酯(例如γ-丁内酯、γ-戊内酯等等)，链结构醚(例如1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷等等)，环状醚(例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧戊环等等)，硫化合物(例如环丁砜)，及其组合。
在各个方面中，所述溶剂可以包括溶剂的混合物。例如，电解质30可以包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂和第二溶剂可以独立地选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧戊环、环丁砜及其组合。在某些变型中，所述第一溶剂可以包含碳酸亚乙酯(EC)，和所述第二溶剂可以包含碳酸二甲酯(DMC)。所述第一溶剂与所述第二溶剂的比率可以为大于或等于约1：9至小于或等于约5：5，以及在某些方面中，任选地为约3：7。
就举例而言，在某些变型中，电解质30可以在含有3：7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的所述电解质添加剂。在其他变型中，电解质30可以在含有3：7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)和约1重量％的所述电解质添加剂。
在某些变型中，电解质30可以在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的琥珀酸酐(SA)。在其他变型中，电解质30可以在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)和约1重量的琥珀酸酐(SA)。
在某些变型中，电解质30可以基本上由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的所述电解质添加剂组成。在其他变型中，电解质30可以基本上由在含有3：7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和约1重量％的所述电解质添加剂组成。
在某些变型中，电解质30可以基本上由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的琥珀酸酐(SA)组成。在其他变型中，电解质30可以基本上由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和约1重量％的琥珀酸酐(SA)组成。
在某些变型中，电解质30可以由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的所述电解质添加剂组成。在其他变型中，电解质30可以由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和约1重量％的所述电解质添加剂组成。
在某些变型中，电解质30可以由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的琥珀酸酐(SA)组成。在其他变型中，电解质30可以由在含有3∶7质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的1M六氟磷酸锂(LiPF6)和约1重量％的琥珀酸酐(SA)组成。
在某些情况中，隔离件26可以包括包含聚烯烃的微孔聚合物隔离件。所述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)，所述均聚物或杂聚物可以是直链或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，那么聚烯烃可以具有任意共聚物链排布，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单体成分的杂聚物，那么所述聚烯烃同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面中，所述聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的共混物、或PE和/或PP的多层结构多孔膜。市售可得的聚烯烃多孔隔离件膜26包括可从Celgard LLC得到的2500(单层聚丙烯隔离件)和/>2320(三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离件)。
当隔离件26是微孔聚合物隔离件时，所述隔离件26可以是单个层或是多层层压材料，其可以由干或湿工艺制造。例如，在某些情况中，聚烯烃的单个层可以形成整个隔离件26。在其他方面中，隔离件26可以是具有大量在相对表面之间延伸的孔隙的纤维膜并且可以具有例如小于1毫米的平均厚度。然而，作为另一个例子，可以组装相似或不相似的聚烯烃的多个离散层以形成微孔聚合物隔离件26。隔离件26也可以包含除所述聚烯烃外的其他聚合物，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，或适合产生所需的多孔结构的任意其他材料。聚烯烃层和任意其他任选的聚合物层可以进一步作为纤维层被包含在隔离件26中以帮助向隔离件26提供合适的结构和孔隙率特性。
在某些方面中，隔离件26可以进一步包含陶瓷材料和耐热材料中的一种或多种。例如，隔离件26也可以与所述陶瓷材料和/或所述耐热材料混合。所述陶瓷材料和/或所述耐热材料可以设置在隔离件26的一侧或多侧上。所述陶瓷材料可以选自：氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)及其组合。所述耐热材料可以选自：NOMEXTM间位芳族聚酰胺(例如由单体间苯二胺和间苯二甲酰氯的缩合反应形成的芳族聚酰胺)、ARAMID芳族聚酰胺及其组合。
考虑了用于形成隔离件26的各种常规可得的聚合物和商业产品，以及可以被用来生产此类微孔聚合物隔离件26的很多制造方法。在每种情况中，隔离件26可以具有大于或等于约1微米(μm)至小于或等于约50μm，以及在某些情况中，任选地大于或等于约1μm至小于或等于约20μm的平均厚度。
在各个方面中，如图1中所示的多孔隔离件26和/或设置在多孔隔离件26中的电解质30可以用作为电解质和隔离件二者起作用的固态电解质(″SSE")和/或半固态电解质(例如凝胶)代替。例如，所述固态电解质和/或半固态电解质可以设置在正电极24和负电极22之间。所述固态电解质和/或半固态电解质促进锂离子的转移，同时机械地分隔负电极和正电极22、24并在负电极和正电极22、24之间提供电绝缘。就非限制性的举例而言，所述固态电解质和/或半固态电解质可以包含多个填充物(fillers)，例如LiTi2(PO4)3、LiGe2(PO4)3、Li7La3Zr2O12、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3PO4、Li3N、Li4GeS4、Li10GeP2S12、Li2S-P2S5、Li6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li3OCl、Li2.99Ba0.005ClO或其组合。所述半固态电解质可以包含聚合物主体和液体电解质。所述聚合物主体可包括例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-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)及其组合。在某些变型中，所述半固体或凝胶电解质也可存在于正电极24和/或负电极22中。然而，在每种情况中，所述固态电解质和/或半固态电解质包含如上文详述的电解质添加剂。
负电极22由能够充当锂离子电池组的负极端子的锂主体材料形成。在各个方面中，负电极22可由多个负极电活性材料颗粒限定。此类负极电活性材料颗粒可以设置于一个或多个层中从而限定负电极22的三维结构。可以将电解质30例如在电池组装后引入并且包含在负电极22的孔隙内。在每种情况中，负电极22(包含所述一个或多个层)可以具有大于或等于约0纳米(nm)至小于或等于约500μm，任选地大于或等于约1μm至小于或等于约500μm，和在某些方面中，任选地大于或等于约10μm至小于或等于约200μm的厚度。
在某些变型中，负电极22可以包含基于硅的负极电活性材料，所述基于硅的负极电活性材料包括例如锂-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等等)。在其他变型中，负电极22可以包含一种或多种其他体积膨胀负极电活性材料(例如铝、锗、锡)。在又其他变型中，负电极22可以包含含锂负极电活性材料，例如锂合金和/或锂金属。例如，在某些变型中，负电极22可以由锂金属箔限定。在又其他变型中，负电极22可以包含仅举例而言碳质负极电活性材料(例如石墨、硬碳、软碳等等)和/或金属活性材料(例如锡、铝、镁、锗、及其合金等等)。
在进一步的变型中，负电极22可以是包含负极电活性材料的组合的复合电极。例如，负电极22可以包含第一负极电活性材料和第二负极电活性材料。所述第一负极电活性材料与所述第二负极电活性材料的比率可以为大于或等于约5∶95至小于或等于约95∶5。在某些变型中，所述第一负极电活性材料可以是体积膨胀材料，包括例如硅、铝、锗和/或锡；和所述第二负极电活性材料可以包含碳质材料(例如石墨、硬碳和/或软碳)。例如，在某些变型中，所述负极电活性材料可包含碳质-硅基复合物，所述碳质-硅基复合物包含例如约10重量％的SiOx(其中0≤x≤2)和约90重量％的石墨。
在每种变型中，所述负极电活性材料可以任选地与提供电子传导路径的导电材料(即导电添加剂)和/或改善负电极22的结构完整性的聚合物粘合剂材料混合。例如，负电极22可包含大于或等于约30重量％至小于或等于约98重量％，和在某些方面中，任选地大于或等于约60重量％至小于或等于约95重量％的所述负极电活性材料；大于或等于0重量％至小于或等于约30重量％，和在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％的所述导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于约20重量％，和在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％的所述聚合物粘合剂。
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)、聚丙烯酸(PAA)、聚偏二氟乙烯与聚六氟丙烯的共混物、聚氯三氟乙烯、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、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)、藻酸钠和/或藻酸锂。导电材料可以包括例如基于碳的材料、粉末镍或其他金属颗粒、或导电聚合物。基于碳的材料可以包括例如石墨颗粒、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(例如石墨烯片(GNP)、氧化石墨烯片)、导电碳黑(例如SuperP(SP))等等。导电聚合物的例子包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。
正电极24由能够发生锂嵌入和脱嵌、合金化和合金蜕化或镀覆和剥离、同时充当锂离子电池组的正极端子的锂基活性材料形成。正电极24可由多个电活性材料颗粒限定。此类正极电活性材料颗粒可以设置于一个或多个层中从而限定正电极24的三维结构。可以将电解质30例如在电池组装后引入并且包含在正电极24的孔隙内。在某些变型中，正电极24可以包含多个固态电解质颗粒。在每种情况中，正电极24可以具有大于或等于约1μm至小于或等于约500μm，和在某些方面中，任选地大于或等于约10μm至小于或等于约200μm的平均厚度。
在各个方面中，正电极24可以是包含由以下化学式表示的正极电活性材料的富镍阴极：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1、M2、M3和M4各自为过渡金属(例如各自独立地选自由以下各项组成的组：镍(Ni)、锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合)，其中0≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1。例如，正电极24可以包含NMC(LiNixCoyMn1-x-yO2，其中0.8≤x≤1、0≤y≤0.4)和/或NCA(LiNixCoyAl1-x-yO2，其中0.8≤x≤1、0≤y≤0.4)和/或NCMA(LiNixCoyMnzAl1-x-y-zO2，其中0.8≤x≤1、0≤y≤0.4、0≤z≤0.4)。
在其他变型中，正电极24可以包含具有尖晶石结构的一种或多种正极电活性材料(例如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn2O4，其中0.1≤x≤1)(LMO)和/或锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4，其中0≤x≤0.5)(LNMO)(例如LiMn1.5Ni0.5O4))；具有层状结构的一种或多种材料(例如锂钴氧化物(LiCoO2)(LCO))；和/或具有橄榄石结构的锂铁聚阴离子氧化物(例如磷酸铁锂(LiFePO4)(LFP)、磷酸铁锰锂(LiMn2-xFexPO4，其中0＜x＜0.3)(LMFP)和/或氟磷酸铁锂(Li2FePO4F))。
在又其他变型中，正电极24可以是包含两种或更多种正极电活性材料的复合电极。例如，正电极24可以包含第一正极电活性材料和第二正极电活性材料。在某些变型中，所述第一正极电活性材料与所述第二正极电活性材料的比率可以为大于或等于约1∶9至小于或等于约9∶1。所述第一正极电活性材料可以包含所述富镍正极电活性材料。所述第二正极电活性材料可以包含，例如，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)或其组合；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)或其组合；由Li3Me2(PO4)3表示的单斜型(monoclinic-type)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)或其组合；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)或其组合；和/或由LiMeSO4F和/或LiMePO4F表示的羟磷锂铁石(tavorite)，其中Me是过渡金属，例如钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、铁(Fe)、铝(Al)、钒(V)或其组合。
在每种变型中，所述正极电活性材料也可以任选地与提供电子传导路径的导电材料(即导电添加剂)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，正电极24可以包含大于或等于约30重量％至小于或等于约98重量％，和在某些方面中，任选地大于或等于约60重量％至小于或等于约97重量％的所述正极电活性材料；大于或等于0重量％至小于或等于约30重量％，和在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％的所述导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于约20重量％，和在某些方面中，任选地大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％的所述聚合物粘合剂。包含在正电极24中的导电添加剂和/或粘合剂材料可以与包含在负电极22中的导电添加剂相同或不同。
在以下非限制性实施例中进一步说明当前技术的某些特征。
实施例1
可以根据本公开的各个方面制备实施例电池组和电池组电池。
例如，第一实施例电池210可以包含第一电解质，所述第一电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1重量％琥珀酸酐(SA)和约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第二实施例电池220可以包含第二电解质，所述第二电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约3重量％琥珀酸酐(SA)和约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第三实施例电池230可以包含第三电解质，所述第三电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约5重量％琥珀酸酐(SA)和约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第一对比电池240可以包含第四电解质，所述第四电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第二对比电池250可以包含第五电解质，所述第五电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M六氟磷酸锂(LiPF6)、约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)和约2重量％碳酸氟代亚乙酯(FEC)组成。
实施例电池210、220、230以及对比电池240、250可以各自包含富镍阴极(包含例如NCMA)和含硅阳极(包含例如与石墨混合的约5.5重量％的SiOx(其中0.1＜x＜2))。所述富镍阴极还可以包含一种或多种导电添加剂(例如碳纳米管(CNT)、SuperP(SP)和/或石墨烯片(GNP))和一种或多种粘合剂材料(例如聚偏二氟乙烯(PVDF))。所述富镍阴极可以具有约5.0mAh/cm2的负载。所述含硅阳极还可以包含一种或多种导电添加剂(例如SuperP(SP))和/或一种或多种粘合剂材料(例如羧甲基纤维素(CMC)和/或丁苯橡胶(SBR))。
图2A是表明与对比电池240、250相比实施例电池210、220、230的容量的图解图示，其中x轴200代表循环，和y轴202代表放电容量(mAh)。如图所示，实施例电池210与对比电池240相比具有改善的容量递送，并且与对比电池250相比具有类似的性能。
图2B是表明与对比电池240、250相比实施例电池210、220、230的放电容量保持(％)的图解图示，其中x轴280表示循环，和y轴282表示放电容量保持(％)。如图所示，与对比电池240、250相比实施例电池210、220在500次循环过程中具有增强的循环稳定性。例如，第一实施例电池210可以具有约83.48％的容量保持，和第二实施例电池220可以具有约85.10％的容量保持，然而第一对比电池240可以具有约76.03％的容量保持，和第二对比电池250可以具有约78.11％的容量保持。
图2C是表明与对比电池240相比，第一实施例电池210在4.2V在三个形成循环(C/20)之后电化学阻抗(EIS)测量的图解图示，其中x轴290表示Z’(Ohm)，和y轴292表示Z”(Ohm)。如图所示，根据本公开的各个方面包含电解质添加剂的第一实施例电池210具有降低的电池阻抗和极化。
图2D是表明与对比电池240、250相比，第一实施例电池210的放电倍率性能的图解图示，其中x轴296表示循环，y轴298表示容量(mAh)，并且以各种倍率包括0.2C、0.333C、1C、2C、3C、4C和0.2C进行放电。第一实施例电池210的充电由210A表示。第一实施例电池的放电由210B表示。第一对比电池240的充电由240A表示。第一对比电池240的放电由240B表示。第二对比电池250的充电由250A表示。第二对比电池250的放电由250B表示。如图所示，根据本公开的各个方面包含电解质添加剂的第一实施例电池210具有改善的放电倍率性能。
实施例2
可以根据本公开的各个方面制备实施例电池组和电池组电池。
例如，第一实施例电池310可以包含第一电解质，所述第一电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1重量％琥珀酸酐(SA)和约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第二实施例电池320可以包含第二电解质，所述第二电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约3重量％琥珀酸酐(SA)和约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第三实施例电池330可以包含第三电解质，所述第三电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约5重量％琥珀酸酐(SA)和约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第一对比电池340可以包含第四电解质，所述第四电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第二对比电池350可以包含第五电解质，所述第五电解质基本上由在含有3∶7的质量比的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M六氟磷酸锂(LiPF6)、约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)和约2重量％碳酸氟代亚乙酯(FEC)组成。
实施例电池310、320、330以及对比电池340、350可以各自包含富镍阴极(包含例如NCMA)和含硅阳极(包含例如与石墨混合的约20重量％的LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7))。所述富镍阴极还可以包含一种或多种导电添加剂(例如碳纳米管(CNT)、SuperP(SP)和/或石墨烯片(GNP))和一种或多种粘合剂材料(例如聚偏二氟乙烯(PVDF))。所述富镍阴极可以具有约5.0mAh/cm2的负载。所述含硅阳极还可以包含一种或多种导电添加剂(例如SuperP(SP)和/或碳纳米管(CNT))和/或一种或多种粘合剂材料(例如羧甲基纤维素(CMC)和/或聚丙烯酸钠(NaPAA))。
图3A是表明与对比电池340、350相比实施例电池310、320、330的容量的图解图示，其中x轴300代表循环，和y轴302代表放电容量(mAh)。如图所示，实施例电池310、320与对比电池340相比具有改善的放电容量递送，并且与对比电池350相比具有类似的性能。
图3B是表明与对比电池340、350相比实施例电池310、320、330的容量保持(％)的图解图示，其中x轴380表示循环，和y轴382表示放电容量保持(％)。如图所示，与对比电池340相比实施例电池310、320在500次循环过程中具有增强的循环稳定性。例如，第一实施例电池310可以具有约89.97％的容量保持，和第二实施例电池320可以具有约86.49％的容量保持，然而第一对比电池340可以具有约83.94％的容量保持，和第二对比电池350可以具有约87.35％的容量保持。
已经为了说明和描述提供了实施方案的上述描述。其无意是穷举性的或限制本公开。一个特定实施方案的单独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选择的实施方案中，即使没有明确展示或描述。其也可以以许多方式改变。此类变动不被视为背离本公开，并且所有这样的修改都意在包括在本公开的范围内。
本申请可以包括以下技术方案。
方案1.一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含含有大于或等于约80％镍(Ni)的富镍正极电活性材料；
第二电极，其包含基于硅的负极电活性材料；
隔离层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间；和
电解质，其包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂选自琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐及其组合，所述电解质与所述第一电极中的富镍正极电活性材料和所述第二电极中的基于硅的负极电活性材料中的至少一者接触。
方案2.根据方案1所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含溶剂，所述溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧戊环、环丁砜、及其组合。
方案3.根据方案1所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含含有碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
方案4.根据方案3所述的电化学电池，其中碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比为约3：7。
方案5.根据方案1所述的电化学电池，其中所述电解质包含约1重量％的所述电解质添加剂。
方案6.根据方案5所述的电化学电池，其中所述电解质添加剂包括琥珀酸酐(SA)。
方案7.根据方案1所述的电化学电池，其中所述富镍正极电活性材料由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)、及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1。
方案8.根据方案1所述的电化学电池，其中所述富镍正极电活性材料由以下化学式表示：
LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2
其中0.02≤x≤0.20、0.01≤y≤0.12、0.01≤z≤0.08。
方案9.根据方案1所述的电化学电池，其中所述第二电极是包含所述基于硅的负极电活性材料和碳质负极电活性材料的复合电极。
方案10.根据方案9所述的电化学电池，其中所述复合电极包含大于或等于约1重量％至小于或等于约50重量％的所述基于硅的负极电活性材料和大于或等于约50重量％至小于或等于约80重量％的所述碳质负极电活性材料。
方案11.根据方案1所述的电化学电池，其中所述基于硅的负极电活性材料选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合。
方案12.一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一多孔电极，其包含与正极电活性材料混合的电解质，所述正极电活性材料由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1；
第二多孔电极，其包含与基于硅的负极电活性材料混合的所述电解质；
隔离层，其设置在所述第一多孔电极和所述第二多孔电极之间；和
所述电解质，其包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂选自：琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐、及其组合。
方案13.根据方案12所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含含有碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
方案14.根据方案13所述的电化学电池，其中碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比为约3：7。
方案15.根据方案12所述的电化学电池，其中所述电解质包含约1重量％的所述电解质添加剂。
方案16.根据方案12所述的电化学电池，其中所述电解质添加剂包括琥珀酸酐(SA)。
方案17.根据方案12所述的电化学电池，其中所述第二电极是包含所述基于硅的负极电活性材料和碳质负极电活性材料的复合电极。
方案18.根据方案17所述的电化学电池，其中所述复合电极包含大于或等于约1重量％至小于或等于约50重量％的所述基于硅的负极电活性材料和大于或等于约50重量％至小于或等于约80重量％的所述碳质负极电活性材料。
方案19.根据方案12所述的电化学电池，其中所述基于硅的负极电活性材料选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合。
方案20.一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一多孔电极，其包含与正极电活性材料混合的电解质，所述正极电活性材料由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1；
第二多孔电极，其包含与基于硅的负极电活性材料混合的所述电解质，所述基于硅的负极电活性材料选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合；
隔离层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间；和
所述电解质，其包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂，和溶剂混合物，所述电解质添加剂选自：琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐、及其组合，所述溶剂混合物以约3：7的质量比包含碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)。

Claims (10)

1.一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含含有大于或等于约80％镍(Ni)的富镍正极电活性材料；
第二电极，其包含基于硅的负极电活性材料；
隔离层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间；和
电解质，其包含大于或等于约1重量％至小于或等于约3重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂选自琥珀酸酐(SA)、马来酸酐、N-羧基酸酐、戊二酸酐、靛红酸酐、柠康酸酐、及其组合，所述电解质与所述第一电极中的富镍正极电活性材料和所述第二电极中的基于硅的负极电活性材料中的至少一者接触。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含溶剂，所述溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧戊环、环丁砜、及其组合。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含含有碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
4.根据权利要求3所述的电化学电池，其中碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比为约3：7。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电解质包含约1重量％的所述电解质添加剂。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中所述电解质添加剂包括琥珀酸酐(SA)。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述富镍正极电活性材料由以下化学式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包含镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自由以下各项组成的组的过渡金属：锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)、及其组合，0.8≤x≤1、0≤y≤1且0≤z≤1。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述富镍正极电活性材料由以下化学式表示：
LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2
其中0.02≤x≤0.20、0.01≤y≤0.12、0.01≤z≤0.08。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述第二电极是复合电极，所述复合电极包含大于或等于约1重量％至小于或等于约50重量％的所述基于硅的负极电活性材料和大于或等于约50重量％至小于或等于约80重量％的碳质负极电活性材料。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述基于硅的负极电活性材料选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6且4≤y≤7)、及其组合。
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