CN117895073A - 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。电化学电池包括第一多孔电极、第二多孔电极和设置在它们之间的分隔层。所述第一多孔电极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下式表示：LiM1 xM2 yM3 zM4 (1‑x‑y‑z)O2其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，并且其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和0≤z≤1。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0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂包括(2‑氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。所述电解质还包含含锂盐和包含质量比为约3：7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。

Description

用于循环锂离子的电化学电池的电解质
技术领域
本公开涉及用于循环锂离子的电化学电池的电解质系统。所述电解质系统包含电解质添加剂。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者多个负电极。
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。
需要先进的能量存储装置和系统以满足各种产品的能量和/或功率要求，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、混合动力电动车辆(“HEV”)和电动车辆(“EV”)。典型的锂离子电池组包括至少两个电极以及电解质和/或隔离件。两个电极中的一个可以充当正电极或阴极，且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设置在负电极和正电极之间。电解质适用于在电极之间传导锂离子，并且与两个电极类似可以是固体和/或液体形式和/或其混合态。在固态电池组的情况下，其包括固态电极和固态电解质(或固态隔离件)，固态电解质(或固态隔离件)可以物理分隔电极，从而不需要单独的隔离件。
许多不同的材料可用于制造锂离子电池组的组件。例如，在各个方面，正电极包含富镍电活性材料(例如，在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)，其能够提供改善的容量能力(例如大于200mAh/g)同时允许额外的锂提取而不损害正电极的结构稳定性。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电活性材料包括石墨和其他形式的碳，硅和氧化硅，和/或锡和锡合金。某些阳极材料具有特殊的优点。虽然理论比容量为372mAh·g-1的石墨最广泛地用于锂离子电池组，但具有高比容量(例如约900mAh·g-1至约4200mAh·g-1范围的比容量)的阳极材料越来越受关注。例如，硅对于锂具有最高的已知理论容量(例如，约4200mAh·g-1)，使其成为可再充电锂离子电池组的有吸引力的材料。然而，此类材料在锂化和脱锂过程中通常容易发生巨大的体积膨胀，这可导致颗粒的粉碎、电接触的损失和不稳定的固体电解质界面(SEI)形成，导致电极坍塌(electrode collapse)和容量衰减(capacity fading)。因此，将合意的是开发出可解决这些挑战的改善的材料及其制造和使用的方法。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概括，而不是对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系统。所述电解质系统包含电解质添加剂。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者多个负电极。
在各个方面，本公开提供循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可包括第一电极、第二电极和分隔层。所述第一电极可包含富镍正极电活性材料，所述富镍正极电活性材料包含大于或等于约80质量百分比的镍(Ni)。所述第二电极可包含基于硅的负极电活性材料。所述电化学电池还可包含与所述第一电极中的所述富镍正极电活性材料和所述第二电极中的所述基于硅的负极电活性材料中的至少一种接触的电解质。所述电解质可包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂。所述电解质添加剂可包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。
在一个方面，所述电解质可进一步包含含锂盐和溶剂。所述溶剂可选自：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、1，3-二氧戊烷、环丁砜及其组合。
在一个方面，所述电解质可进一步包含含锂盐和溶剂混合物。所述溶剂混合物可包含碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)。
在一个方面，所述碳酸亚乙酯(EC)和所述碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比可为约3∶7。
在一个方面，所述电解质可进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约1.5重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)。
在一个方面，所述电解质可进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)。
在一个方面，所述电解质可包含约1重量％的所述电解质添加剂。
在一个方面，所述电解质可包含约2重量％的所述电解质添加剂。
在一个方面，所述富镍正极电活性材料可由下式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，且其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和0≤z≤1。
在一个方面，所述富镍正极电活性材料可由下式表示：
LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2
其中0.02≤x≤0.20，0.01≤y≤0.12，0.01≤z≤0.08。
在一个方面，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。
在一个方面，所述复合电极可包含大于或等于约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。
在一个方面，所述基于硅的负极电活性材料可选自：Si、SiOx(其中x≤2)、LixSiOy(其中2≤x≤6和4≤y≤7)及其组合。
在各个方面，本公开提供循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可包括第一多孔电极、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分隔层。所述第一多孔电极可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下式表示
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和0≤z≤1。所述第二多孔电极可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0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂。所述电解质添加剂可包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。
在一个方面，所述电解质可进一步包含含锂盐和溶剂混合物。所述溶剂混合物可包含碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)。
在一个方面，所述碳酸亚乙酯(EC)和所述碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比为约3∶7。
在一个方面，所述电解质可进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约1.5重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)。
在一个方面，所述电解质可进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)。
在一个方面，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。
在各个方面，本公开提供循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可包括第一多孔电极、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分隔层。所述第一多孔电极可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下式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，且其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和0≤z≤1。所述第二多孔电极可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和4≤y≤7)及其组合。所述电解质可包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂。所述电解质添加剂可包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。所述电解质还可包含含锂盐和溶剂混合物。所述溶剂混合物包含质量比为约3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)。
本公开内容公开了以下方案：
1.循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含富镍正极电活性材料，所述富镍正极电活性材料包含大于或等于约80质量％的镍(Ni)；
第二电极，其包含基于硅的负极电活性材料；
分隔层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间；和
电解质，其与所述第一电极中的所述富镍正极电活性材料和所述第二电极中的所述基于硅的负极电活性材料中的至少一种接触并且包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。
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含锂盐和溶剂，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、1，3-二氧戊烷、环丁砜及其组合。
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锂盐和包含碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
4.根据方案3所述的电化学电池，其中所述碳酸亚乙酯(EC)和所述碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比为约3∶7。
5.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大于或等于约0.5重量％至小于或等于约1.5重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)。
6.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大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)。
7.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。
8.根据方案1所述的电化学电池，其中所述电解质包含约2重量％的所述电解质添加剂。
9.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下式表示：
LiM1xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和0≤z≤1。
10.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下式表示：
LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2
其中0.02≤x≤0.20，0.01≤y≤0.12，0.01≤z≤0.08。
11.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。
12.根据方案11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。
13.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和4≤y≤7)及其组合。
14.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下式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和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；和
分隔层，其设置在所述第一多孔电极和所述第二多孔电极之间，
其中所述电解质包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。
15.根据方案14所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含含锂盐和包含碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
16.根据方案15所述的电化学电池，其中所述碳酸亚乙酯(EC)和所述碳酸二甲酯(DMC)之间的质量比为约3∶7。
17.根据方案14所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约1.5重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)。
18.根据方案14所述的电化学电池，其中所述电解质进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)。
19.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。
20.循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包含：
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下式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和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和4≤y≤7)及其组合；
分隔层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间；和
其中所述电解质包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)的电解质添加剂、含锂盐和包含质量比为约3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
其他适用领域将从本文提供的说明书中将变得显而易见。发明内容中的描述和具体实例仅意在用于说明的目的并不意在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用来对所选实施方案而不是所有可能的实施方式进行说明的目的，并且不意在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的各个方面的包含电解质添加剂的示例性电化学电池的图示；
图2是示出根据本公开的各个方面的包含电解质添加剂的示例性电池的容量保持率的图形图示；
图3是示出根据本公开的各个方面的包含电解质添加剂的示例性电池的容量保持率的图形图示；和
图4是示出根据本公开的各个方面的包含电解质添加剂的示例性电池的放电倍率性能的图形图示。
贯穿附图的几个视图，相应的附图标记标识相应的部件。
具体实施方式
提供示例性实施方案使得本公开将是充分的，并且将使范围充分传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组成、组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式实施，并且均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，公知的方法、公知的装置结构和公知的技术没有详细描述。
本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案的目的，并不旨在限制。除非在上下文清楚地另有指明，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是可兼的，并且因此指定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或加入。尽管开放式术语“包含”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，该术语或可被理解为替代性地为更具限制性的和局限性的术语，例如“由…组成”或“基本由…组成”。因此，对于所叙述的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由此类所叙述的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法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/或方法步骤，而在“基本由…组成”的情况下，从此类实施方案中排除了实质上影响基本特征和新颖特征的任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，但不实质上影响基本特征和新颖特征的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤可以包括在实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应被解释为必然要求它们按照所论述或举例说明的特定次序实施，除非明确确定为实施次序。还应理解的是，除非另有说明，否则可采用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到在另一个元件或层“上”，“啮合”、“连接”、或“耦合”到另一个元件或层上时，其可以直接在另一组件、元件或层上，啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可以存在居间元件或层。相较之下，当元件被提到“直接在另一个元件或层上”、“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件或层上时，可以不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似方式解释(例如，“在...之间”相对“直接在...之间”、“相邻”相对“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列举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、组件、区域、层和/或区段，但除非另有说明，否则这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受到这些术语的限制。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段与另一步骤、元件、组件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚说明，术语如“第一”、“第二”和其他数值术语在本文中使用时并不暗示顺序或次序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称为第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了易于描述，在本文中使用空间上或时间上相对的术语，例如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”“上方”、“上部”等等描述如附图中所示的一个元件或特征与其他(一个或多个)元件或(一个或多个)特征的关系。除了在附图中所示的取向之外，空间上或时间上相对的术语可以旨在涵盖装置或系统在使用或操作中的不同取向。
遍及本公开，数值表示近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的微小偏差和具有大致所提及值的实施方案以及具有确切所提及值的实施方案。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，数量或条件)的所有数值应被理解为在所有情况中都被术语“约”修饰，无论在数值之前是否实际出现“约”。“约”是指以下两种：确切或精确的所述数值，以及所述数值允许一定的轻微不精确性(在一定程度上接近该数值的精确值；大致或合理地近似该数值；几乎是)。如果在本领域中没有以这种普通含义另行理解由“约”提供的不精确性，那么本文中所用的“约”是指可由测量和使用此类参数的普通方法造成的至少偏差。例如，“约”可以包括小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％、任选地小于或等于0.5％，并且在某些方面，任选地小于或者等于0.1％的偏差。
此外，范围的公开包括对在整个范围内的所有值和进一步细分范围，包括对范围所给出的端点和子范围的公开。
现在将参考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系统。电解质系统可包含电解质添加剂。电化学电池可包含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者多个负电极。这种电池可以用于车辆或汽车运输应用(例如，摩托车、船、拖拉机、公交车、摩托车、移动房屋、野营车和坦克)。然而，本技术还可用于广泛种类的其他工业和应用，包括航空航天组件、消费品、设备、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，作为非限制性的实例。此外，尽管以下详细例示说明的实例包括单个正电极阴极和单个阳极，但本领域技术人员将认识到，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，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(也被称为电池组)20的示例性和示意性图示。电池组20包含负电极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在锂离子的循环过程中还为锂离子以及在某些情况下相关的阴离子的内部通行提供最小电阻路径。在各个方面，隔离件26可包含电解质30，在某些方面，该电解质30也可存在于负电极22和/或正电极24中，以便形成连续的电解质网络。在某些变体中，隔离件26可由固态电解质或半固态电解质(如凝胶电解质)形成。例如，隔离件26可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下，正电极24和/或负电极22可包含多个固态电解质颗粒。隔离件26中包含的或限定隔离件26的多个固态电解质颗粒可以与正电极24和/或负电极22中包含的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)可位于负电极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22一起可被称为负电极组装件。尽管未示出，但本领域技术人员将认识到，在某些变体中，负电极22可设置在第一集流体32的一个或多个平行侧面上。类似地，本领域技术人员将认识到，在其他变体中，负极电活性材料层可设置在第一集流体32的第一侧面上，且正极电活性材料层可置于第一集流体32的第二侧面上。在每种情况中，第一集流体32可以是包含铜或本领域技术人员已知的任何其他合适的导电材料的金属箔、金属格栅或丝网、或多孔金属。
第二集流体34(例如，正极集流体)可位于正电极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24一起可被称为正电极组件。尽管未示出，但本领域技术人员将认识到，在某些变体中，正电极24可设置在第二集流体34的一个或多个平行侧面上。类似地，本领域技术人员将认识到，在其他变体中，正极电活性材料层可设置在第二集流体34的第一侧面上，且负极电活性材料层可设置在第二集流体34的第二侧面上。在每种情况中，第二电极集流体34可以是包含铝或本领域技术人员已知的任何其他合适的导电材料的金属箔、金属格栅或丝网、或多孔金属。
第一集流体32和第二集流体34可以分别将自由电子收集并移动到外部电路40和从外部电路40收集并移动自由电子。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可连接负电极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可以在放电过程中通过外部电路40闭合(以连接负电极22和正电极24)且负电极22具有与正电极相比较低的电势时发生的可逆电化学反应来产生电流。正电极24和负电极22之间的化学势差驱使负电极22处的反应如插层锂的氧化所产生的电子通过外部电路40前往正电极24。也在负电极22处产生的锂离子同时通过隔离件26中含有的电解质30转移前往正电极24。电子流过外部电路40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处形成插层锂。如上所述，电解质30通常也存在于负电极22和正电极24中。传递通过外部电路40的电流可以被利用并引导通过负载装置42，直到负电极22中的锂被耗尽并且电池组20的容量减小。
可通过将外部电源连接到锂离子电池组20以逆转电池组放电过程中发生的电化学反应而随时给电池组20充电或重新赋能。将外部电能源连接到电池组20促进正电极24处的反应，例如插层锂的非自发氧化，使得产生电子和锂离子。锂离子通过电解质30穿过隔离件26流回前往负电极22，以为负电极22补充锂(例如，插层锂)以供下一次电池组放电事件过程中使用。因此，一个完全的放电事件和随后的一个完全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。可用于给电池组20充电的外部电源可根据电池组20的尺寸、结构和特定的最终用途而变化。一些值得注意的和示例性的外部电源包括但不限于，通过壁装电源插座连接到AC电网的AC-DC转换器和机动车辆交流发电机。
在许多锂离子电池组配置中，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中的每一个被制备成相对薄的层(例如，厚度从几微米到几分之一毫米或更小)并且以电并联布置连接的层的方式组装以提供合适的电能和电源组(power package)。在各个方面，电池组20也可包括各种各样其他的组件，虽然本文未示出，但是这些组件对于本领域技术人员而言是已知的。例如，电池组20可包括壳体、垫圈、端盖、极耳、电池组端子和可位于电池组20内(包括在负电极22、正电极24和/或隔离件26之间或周围)的任何其他常规组件或材料。图1中所示的电池组20包括液体电解质30，并且示出了电池组运行的代表性概念。
电池组20的尺寸和形状可根据设计其所用于的具体应用而改变。例如，电池组供电的车辆和手持式消费电子设备是其中电池组20将最可能被设计成不同的尺寸、容量和功率输出规格的两个实例。如果负载装置42需要，电池组20也可与其他类似锂离子电池或电池组串联或并联连接以产生较大的电压输出、能量和功率。因此，电池组20可以产生电流到作为外部电路40的一部分的负载装置42。当电池组20放电时，负载装置42可以由通过外部电路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，但几个具体实例包括用于电动车辆的电动机、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。负载装置42也可以是为了储存电能的目的而给电池组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可各自在其孔隙内部包括能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子的电解质溶液或系统30。可以在锂离子电池组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，无论是固体、液体或凝胶形式。在每个变体中，电解质30包含电解质添加剂。例如，电解质30可包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％，并且在某些方面，任选大于或等于约1重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂。在某些变体中，电解质添加剂可包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。电解质添加剂可有助于例如形成薄且稳健的电解质/电极界面，这可以提高循环稳定性和倍率性能。
在某些变体中，电解质30可以是非水性液体电解质溶液(例如，＞1M)，其包含溶解于有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐。可溶解于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(草酸根合)硼酸锂(LiB(C2O4)2)(LiBOB)、二氟草酸根合硼酸锂(LiBF2(C2O4))、六氟砷酸锂(LiAsF6)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)、双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiN(FSO2)2)(LiFSI)及其组合。
这些和其他类似的锂盐可溶解于各种各样的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、1，3-二氧戊烷等等)，硫化合物(例如，环丁砜)及其组合。
在各个方面，溶剂可包括溶剂的混合物。例如，在某些变体中，电解质30可包含第一溶剂和第二溶剂，第一和第二溶剂可独立地选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、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、1，3-二氧戊烷、环丁砜及其组合。例如，在某些变体中，第一溶剂可包括碳酸亚乙酯(EC)和第二溶剂可包括碳酸二甲酯(DMC)。第一溶剂与第二溶剂的比率可以大于或等于约1∶9至小于或等于约5∶5，并且在某些方面，任选约3∶7。
在其他变体中，电解质30可包含第一溶剂、第二溶剂和第三溶剂。第一、第二和第三溶剂可独立地选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、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、1，3-二氧戊烷、环丁砜及其组合。例如，在某些变体中，第一溶剂可包括碳酸亚乙酯(EC)，第二溶剂可包括碳酸二甲酯(DMC)和第三溶剂可包括碳酸氟代亚乙酯(FEC)。第一溶剂与第二溶剂的比率可以大于或等于约1∶9至小于或等于约5∶5，并且在某些方面，任选约3∶7，并且电解质30可包含约2重量％的第三溶剂。例如，在某些变体中，电解质30可包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)。
在其他变体中，电解质30可包含第一溶剂、第二溶剂和第三溶剂。第一、第二和第三溶剂可独立地选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、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、1，3-二氧戊烷、环丁砜及其组合。例如，在某些变体中，第一溶剂可包括碳酸亚乙酯(EC)，第二溶剂可包括碳酸二甲酯(DMC)和第三溶剂可包括碳酸亚乙烯酯(VC)。第一溶剂与第二溶剂的比率可以大于或等于约1∶9至小于或等于约5∶5，并且在某些方面，任选约3∶7，并且电解质30可包含约1重量％的第三溶剂。例如，在某些变体中，电解质30可包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约1.5重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)。
在其他变体中，电解质30可包含第一溶剂、第二溶剂、第三溶剂和第四溶剂。第一、第二、第三和第四溶剂可独立地选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、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、1，3-二氧戊烷、环丁砜及其组合。例如，在某些变体中，第一溶剂可包括碳酸亚乙酯(EC)，第二溶剂可包括碳酸二甲酯(DMC)、第三溶剂可包括碳酸氟代亚乙酯(FEC)和第四溶剂可包括碳酸亚乙烯酯(VC)。第一溶剂与第二溶剂的比率可以大于或等于约1∶9至小于或等于约5∶5，并且在某些方面，任选约3∶7，并且电解质30可包含约2重量％的第三溶剂和约1重量％的第四溶剂。
例如，在某些变体中，电解质30可包含在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。在某些变体中，电解质30可包含在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)和约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。在某些变体中，电解质30可包含在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)和约1重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。在某些变体中，电解质30可包含在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)、约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)和约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)和大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。
在某些变体中，电解质30可基本由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。在某些变体中，电解质30可基本由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)、约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。在某些变体中，电解质30可基本由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)、约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。在某些变体中，电解质30可基本由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)、约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)、约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。
在某些变体中，电解质30可由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。在某些变体中，电解质30可由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)、约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。在某些变体中，电解质30可由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)、约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。在某些变体中，电解质30可由约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)、约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)、约1重量％碳酸亚乙烯酯(VC)和质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)组成。
隔离件26可以是多孔隔离件。例如，在某些情况下，隔离件26可以是包含例如聚烯烃的微孔聚合物隔离件。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一的单体成分)或杂聚物(衍生自多于一种的单体成分)，其可以是直链或支化的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，则聚烯烃可采取任何共聚物链排列，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的单体成分的杂聚物，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)、或者聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的共混物、或者PE和/或PP的多层结构多孔膜。市售聚烯烃多孔隔离件膜26包括可从Celgard LLC获得的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，其可以是单层或多层层压件，其可以由干法或湿法制造。例如，在某些情况下，单层的聚烯烃可形成整个隔离件26。在其他方面，隔离件26可以是具有在相对表面之间延伸的大量的孔的纤维膜，并且可以具有例如小于一毫米的平均厚度。然而，作为另一实例，可以组装多个类似或不同聚烯烃的离散层以形成微孔聚合物隔离件26。隔离件26还可包含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，或者任何其他适用于制造所需多孔结构的材料。聚烯烃层和任何其他任选聚合物层可以进一步作为纤维层包含在隔离件26中，以辅助为隔离件26提供适当的结构和孔隙率特性。
在某些方面，隔离件26可以进一步包括一种或多种陶瓷材料和耐热材料。例如，隔离件26还可与陶瓷材料和/或耐热材料混合。陶瓷材料和/或耐热材料可以设置隔离件26的一个或多个侧上。陶瓷材料可选自：氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)及其组合。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。
设想了用于形成隔离件26的各种常规可用聚合物和商业产品，以及可以用于生产这种微孔聚合物隔离件26的许多制备方法。在各种情况下，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，并且在某些情况下，任选大于或等于约1μm至小于或等于约20μm的平均厚度。
在各个方面，如图1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可以被充当电解质和隔离件两者的固态电解质(“SSE”)和/或半固态电解质(如，凝胶)代替。例如，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。固态电解质和/或半固态电解质促进锂离子的转移，同时在负电极22和正电极24之间机械分离并提供电绝缘。作为非限制性示例，固态电解质和/或半固态电解质可以包括多种填料，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。半固态电解质可以包括聚合物主体和液体电解质。聚合物主体可以包括，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)及其组合。在某些变型中，半固态或凝胶电解质也可存在于正电极24和/或负电极22中。在每种情况中，固态电解质和/或半固态电解质包含如上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，负电极22可以由多个负极电活性材料颗粒限定。这种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。电解质30可以例如在电池组装之后被引入，并且包含在负电极22的孔内。在每种情况下，负电极22(包括一个或多个层)可以具有大于或等于0纳米(nm)至小于或等于约500μm的厚度、任选大于或等于约1μm至小于或等于约500μm的厚度，并且在某些方面，任选大于或等于约10μm至小于或等于约200μm的厚度。
在某些变体中，负电极22可以包含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SiOx(其中0≤x≤2)、Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2等等)。在其他变体中，负电极22可以包含一种或者多种其他体积膨胀负极电活性材料(例如铝、锗、锡)。在还其他变体中，负电极22可包含含锂负极电活性材料，例如锂合金和/或锂金属。例如，在某些变体中，负电极22可以由锂金属箔限定。在还其他变体中，负电极22可以仅包含例如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)。
在进一步的变体中，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。第一负极电活性材料与第二负极电活性材料的比可以大于或等于约5∶95至小于或等于约95∶5。在某些变体中，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；第二负极电活性材料可以包括碳质材料(例如石墨、硬碳和/或软碳)。例如，在某些变体中，负极电活性材料可包括基于碳质-硅的复合材料，该复合材料包含例如约10重量％SiOx(其中0≤x≤2)和约90重量％石墨。
在每种变体中，负极电活性材料可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可以包含大于或等于约30重量％至小于或等于约98重量％，并且在某些方面，任选地大于或等于约60重量％至小于或等于约95重量％的负极电活性材料；大于或等于0重量％至小于或等于约30重量％，并且在某些方面，任选地大于或等于0.5重量％至小于或等于约10重量％的导电材料；和大于或等于0重量％至小于或等于约20重量％，并且在某些方面，任选地大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％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)、聚丙烯酸(PAA)、聚偏氟乙烯和聚六氟丙烯的共混物、聚三氟氯乙烯、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、镍粉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，单壁纳米碳管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT))、石墨烯(例如，石墨烯片(GNP)、氧化石墨烯片)、导电炭黑(例如，SuperP(SP))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。
正电极24可由基于锂的活性材料形成，该基于锂的活性材料能够进行锂插层和脱插、合金化和脱合金化、或镀覆和剥离，同时充当锂离子电池组的正极端子。正电极24可以由多个电活性材料颗粒限定。这种正极电活性材料颗粒可以设置在一个或多个层中以限定正电极24的三维结构。电解质30可以例如在电池组装之后被引入，并且包含在正电极24的孔内。在某些变体中，正电极24可以包含多个固态电解质颗粒。在每种情况下，正电极24可以具有大于或等于约1μm至小于或等于约500μm，并且在某些方面，任选地大于或等于约10μm到小于或等于约200μm的平均厚度。
在各个方面中，正电极24可以是包含正极电活性材料的富镍阴极，该正极电活性材料由下式表示：
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，各自独立地选自镍(Ni)、锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合)，其中0≤x≤1、0≤y≤1和0≤z≤1。例如，正电极24可以包括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)。
在其他变体中，正电极24可以包含一种或多种具有尖晶石结构的正极电活性材料(例如，锂锰氧化物(Li(1+x)Mn2O4，其中0.1≤x≤1)和/或锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4，其中0≤x≤0.5)(LNMO)(例如，LiMn1.5Ni0.5O4))；一种或多种具有层状结构的材料(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)、磷酸锰铁锂(LiMn2-xFexPO4，其中0＜x＜0.3)(LMFP)和/或氟磷酸铁锂(Li2FePO4F))。
在还其他变体中，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。在某些变体中，第一正极电活性材料与第二正极电活性材料的比率可以大于或等于约1∶9至小于或等于约9∶1。第一正极电活性材料可以包含富镍正极电活性材料。第二正极电活性材料可以包括，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。
在每种变体中，正极电活性材料还可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可以包括大于或等于约30重量％至小于或等于约98重量％，并且在某些方面，任选地大于或等于约60重量％至小于或等于约97重量％的正极电活性材料；大于或等于0重量％至小于或等于约30重量％，并且在某些方面，任选地大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％的导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于约20重量％，并且在某些方面，任选地大于或等于约0.5重量％至少于或等于约10重量％的聚合物粘合剂。如在正电极24中包含的导电添加剂和/或粘合剂材料可以与如在负电极22中包含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
实施例电池组和电池组电池可根据本公开的各个方面来制备。
例如，第一实施例电池210可以包含第一电解质，该第一电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)和约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第二实施例电池220可以包含第二电解质，该第二电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约2重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)和约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
对比电池230可以包含第三电解质，该第三电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
实施例电池210、220和对比电池230可各自包含富镍阴极(包括例如，NCMA)和含硅阳极(包括例如，与石墨混合的约5.5重量％的SiOx(其中0.1＜x＜2))。
图2是示出实施例电池210、220与对比电池230相比的容量保持率的图形图示，其中x轴200表示循环，且y轴202表示容量保持率(％)。如图所示，实施例电池210、220与对比电池230相比具有改善的容量保持率。例如，与对比电池230相比，第一实施例电池210在约300次循环后可具有约5％的循环性能改进。
实施例2
实施例电池组和电池组电池可根据本公开的各个方面来制备。
例如，实施例电池310可以包含第一电解质，该第一电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)和约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)和约1重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)的溶剂混合物中的约1重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)和约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
对比电池320可以包含第二电解质，该第二电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)和约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)和约1重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
实施例电池310和对比电池320可各自包含富镍阴极(包括例如，NCMA)和含硅阳极(包括例如，与石墨混合的约5.5重量％的SiOx(其中0.1＜x＜2))。
图3是示出实施例电池310与对比电池320相比的容量保持率的图形图示，其中x轴300表示循环，且y轴302表示容量保持率(％)。如图所示，实施例电池310与对比电池320相比具有改善的容量保持率。例如，与对比电池320相比，实施例电池310在约200次循环后可具有约10％的循环性能改进。
实施例3
实施例电池组和电池组电池可根据本公开的各个方面来制备。
例如，实施例电池410可以包含第一电解质，该第一电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1重量％的(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)和约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第一对比电池420可以包含第二电解质，该第二电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
第二对比电池430可以包含第三电解质，该第三电解质基本由在包含质量比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)和约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)和约1重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)的溶剂混合物中的约1M的六氟磷酸锂(LiPF6)组成。
实施例电池410和对比电池420、430可各自包含富镍阴极(包括例如，NCMA)和含硅阳极(包括例如，与石墨混合的约5.5重量％的SiOx(其中0.1＜x＜2))
图4是实施例电池410与对比电池420、430相比的放电倍率性能(discharge rateperformance)的图形图示，其中x轴400表示循环，且y轴402表示容量(mAh)，并且放电以包括0.2C、0.333C、1C、2C、3C、4C和0.2C的各种倍率发生。如图所示，实施例电池410具有约20％至约50％的倍率性能改进。
出于说明和描述的目的，已经提供了前面的实施方案的描述。其并非意在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适当的情况下可以互换，并且即使未具体示出或描述也可以在所选实施方案中使用。其也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改意在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
第一电极，其包含富镍正极电活性材料，所述富镍正极电活性材料包含大于或等于约80质量％的镍(Ni)；
第二电极，其包含基于硅的负极电活性材料；
分隔层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间；和
电解质，其与所述第一电极中的所述富镍正极电活性材料和所述第二电极中的所述基于硅的负极电活性材料中的至少一种接触并且包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的电解质添加剂，所述电解质添加剂包括(2-氰乙基)三乙氧基硅烷(TEOSCN)。
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含锂盐和溶剂，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、1，3-二氧戊烷、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锂盐和包含碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物。
4.根据权利要求3所述的电化学电池，其中所述碳酸亚乙酯(EC)和所述碳酸二甲酯(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，其中所述电解质进一步包含大于或等于约0.5重量％至小于或等于约1.5重量％的碳酸亚乙烯酯(VC)。
6.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大于或等于约0.5重量％至小于或等于约2重量％的碳酸氟代亚乙酯(FEC)。
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下式表示：
LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2
其中M1包括镍(Ni)且M2、M3和M4是独立地选自锰(Mn)、钴(Co)、铝(Al)、铁(Fe)及其组合的过渡金属，其中0.8≤x≤1，0≤y≤1，和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下式表示：
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，其中所述第二电极为复合电极，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和4≤y≤7)及其组合。
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