CN117917786A - 层状电活性材料及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及层状电活性材料及其形成方法。提供了用于循环锂离子的电化学电池的电活性材料。所述电活性材料包含多个原子层和设置在所述原子层之间的多个阳离子。所述多个原子层包含选自硅、锗、硼及其组合的原子。所述多个阳离子选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。阳离子与限定所述原子层的原子的比率可以小于约1∶2。

Description

层状电活性材料及其形成方法
技术领域
本公开涉及层状电活性材料(例如，二维层状硅同素异形体)及其形成和使用方法。
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。
需要先进的能量存储设备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，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用作正电极或阴极，而另一个电极可以用作负电极或阳极。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，并且与两个电极一样可以是固体和/或液体形式和/或其混合物。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)可以物理隔离电极，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。负电极通常包含锂插入材料或合金基质材料。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4,200mAh·g-1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4,200mAh·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(例如，与石墨的约10％相比，硅的约300％)，这可导致粒子粉碎、电接触损失和不稳定的固体电解质界面(SEI)形成，导致电极塌陷和容量衰减。此外，含硅电活性材料在室温(例如，大于或等于约22℃至小于或等于约23℃)下通常具有低固有电导率(例如，约10-5S/cm)，其在相同温度下比碳的固有电导率(例如，大于或等于约10S/cm至小于或等于约104S/cm)低得多。硅的低固有电导率可能会导致锂离子电池组的倍率性能劣化，阻碍实际的高功率应用。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备和使用方法。
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。
本公开涉及层状电活性材料(例如，二维层状硅同素异形体)及其形成和使用方法。
在各个方面，本公开提供用于循环锂离子的电化学电池的电活性材料。所述电活性材料可以包含多个原子层和设置在所述原子层之间的多个阳离子。所述多个原子层可以包含选自：硅、锗、硼及其组合的原子。所述阳离子与限定所述原子层的原子的比率可以小于约1∶2。
在一个方面，所述电活性材料可由X1 (1-y)X2 2表示，其中X1可表示所述阳离子，X2可表示限定所述原子层的所述原子，并且y可小于1。
在一个方面，所述多个阳离子可选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
在一个方面，所述多个阳离子可为第一多个阳离子，并且所述电活性材料可进一步包含第二多个阳离子。所述第二多个阳离子可包含锂离子。
在一个方面，所述多个阳离子可为第一多个阳离子，并且所述电活性材料可进一步包含第二多个阳离子，所述第一多个阳离子可包含钙。所述第二多个阳离子可选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
在一个方面，所述电活性材料可为具有大于或等于约100纳米至小于或等于约50微米的平均直径的多个电活性粒子的形式。
在各个方面，本公开提供用于形成层状负电极材料的方法。所述方法可包括从前体材料中除去阳离子以形成包含包括原子的多个原子层和设置在所述原子层之间的离子的层状负电极材料。所述离子与限定所述原子层的原子的比率可小于1：2。
在一个方面，所述前体材料中的阳离子包含第一阳离子部分和第二阳离子部分，并且所述除去可包括除去所述第一阳离子部分，其中所述第二部分保留在所述前体材料中并且限定所述离子。
在一个方面，所述阳离子的除去可包括电化学提取方法或化学提取方法。
在一个方面，所述前体材料可由M1 xM2 2表示，其中M1可选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合，M2可选自：硅、锗、硼及其组合，并且x可小于1。
在一个方面，所述阳离子的除去可包括除去所述前体材料中的基本所有阳离子，并且所述方法可进一步包括重新嵌入二次阳离子以形成设置在所述多个原子层之间的离子。
在一个方面，所述前体材料可包含CaX2，其中X可选自：硅、锗、硼及其组合，并且所述二次阳离子可选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
在一个方面，所述重新嵌入可包括化学方法或电化学方法。
在一个方面，从所述前体材料中除去所述阳离子可包括使用离子交换方法将所述阳离子交换为二次阳离子以形成包含第一二次阳离子部分和第二二次阳离子部分的改性前体材料，以及从所述改性前体材料中脱嵌所述第一二次阳离子部分，其中所述第二二次阳离子部分限定设置在所述原子层之间的离子。
在一个方面，所述前体材料可包含CaX2，其中X可选自：硅、锗、硼及其组合，并且所述二次阳离子可选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
在一个方面，所述第一二次阳离子部分的脱嵌可包括电化学提取方法或化学提取方法。
在一个方面，所述前体材料可设置在集流体的一个或多个表面上或附近。
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。所述第一电极可具有第一极性并且可包含第一电活性材料。所述第二电极可具有不同于所述第一极性的第二极性并且可包含第二电活性材料。所述第二电活性材料可包含包括原子的多个原子层和设置在所述原子层之间的多个阳离子，所述原子可选自：硅、锗、硼及其组合。所述多个阳离子可选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。所述阳离子与限定所述原子层的原子的比率可小于1∶2。
在一个方面，所述多个阳离子可为第一多个阳离子，并且所述第二电活性材料可进一步包含第二多个阳离子。所述第二多个阳离子可包含锂离子。
在一个方面，所述多个阳离子可为第一多个阳离子，并且所述第二电活性材料可进一步包含第二多个阳离子。所述第一多个阳离子可包含钙。所述第二多个阳离子可包含选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合的离子。
本发明公开了以下方案：
方案1.一种用于循环锂离子的电化学电池的电活性材料，所述电活性材料包含：
多个原子层和设置在所述原子层之间的多个阳离子，其中所述多个原子层包括选自硅、锗、硼及其组合的原子，并且所述阳离子与限定所述原子层的原子的比率小于约1：2。
方案2.根据方案1所述的电活性材料，其中所述电活性材料由X1 (1-y)X2 2表示，其中X1表示所述阳离子，X2表示限定所述原子层的原子，并且y小于1。
方案3.根据方案1所述的电活性材料，其中所述多个阳离子选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
方案4.根据方案3所述的电活性材料，其中所述多个阳离子为第一多个阳离子，并且所述电活性材料进一步包含第二多个阳离子，所述第二多个阳离子包括锂离子。
方案5.根据方案1所述的电活性材料，其中所述多个阳离子为第一多个阳离子，并且所述电活性材料进一步包含第二多个阳离子，所述第一多个阳离子包括钙，并且所述第二多个阳离子选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
方案6.根据方案1所述的电活性材料，其中所述电活性材料为具有大于或等于约100纳米至小于或等于约50微米的平均直径的多个电活性粒子的形式。
方案7.一种用于形成层状负电极材料的方法，所述方法包括：
从前体材料中除去阳离子以形成包含包括原子的多个原子层且具有设置在所述原子层之间的离子的层状负电极材料，其中所述离子与限定所述原子层的原子的比率小于1∶2。
方案8.根据方案7所述的方法，其中所述前体材料中的阳离子包括第一阳离子部分和第二阳离子部分，并且所述除去阳离子是除去所述第一阳离子部分，其中所述前体材料中剩余的所述第二部分限定所述离子。
方案9.根据方案8所述的方法，其中所述除去阳离子包括电化学提取方法或化学提取方法。
方案10.根据方案7所述的方法，其中所述前体材料由M1 xM2 2表示，其中M1选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合，M2选自：硅、锗、硼及其组合，并且x小于1。
方案11.根据方案7所述的方法，其中所述除去阳离子包括除去所述前体材料中的基本所有阳离子，并且所述方法进一步包括：
重新嵌入二次阳离子以形成设置在所述多个原子层之间的离子。
方案12.根据方案11所述的方法，其中所述前体材料包含CaX2，其中X选自：硅、锗、硼及其组合，并且所述二次阳离子选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
方案13.根据方案11所述的方法，其中所述重新嵌入包括化学方法或电化学方法。
方案14.根据方案7所述的方法，其中所述从前体材料中除去阳离子包括使用离子交换方法将所述阳离子交换为二次阳离子以形成包含第一二次阳离子部分和第二二次阳离子部分的改性前体材料，并且从所述改性前体材料中脱嵌所述第一二次阳离子部分，其中所述第二二次阳离子部分限定设置在所述原子层之间的离子。
方案15.根据方案14所述的方法，其中所述前体材料包含CaX2，其中X选自：硅、锗、硼及其组合，并且所述二次阳离子选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
方案16.根据方案14所述的方法，其中所述脱嵌第一二次阳离子部分包括电化学提取方法或化学提取方法。
方案17.根据方案7所述的方法，其中所述前体材料设置在集流体的一个或多个表面上或附近。
方案18.一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，其具有第一极性并且包含第一电活性材料；
第二电极，其具有不同于所述第一极性的第二极性并且包含第二电活性材料，所述第二电活性材料包含：
多个原子层，其包含选自硅、锗、硼及其组合的原子；和
多个阳离子，其设置在所述原子层之间，所述多个阳离子选自：
钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合，
其中所述阳离子与限定所述原子层的原子的比率小于1∶2；和
隔离层，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间。
方案19.根据方案18所述的电化学电池，其中所述多个阳离子为第一多个阳离子，并且所述第二电活性材料进一步包含第二多个阳离子，所述第二多个阳离子包括锂离子。
方案20.根据方案18所述的电化学电池，其中所述多个阳离子为第一多个阳离子，并且所述第二电活性材料进一步包含第二多个阳离子，所述第一多个阳离子包括钙，并且所述第二多个阳离子包括选自镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合的离子。
其他适用领域从本文提供的描述中将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实例仅意在用于说明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层状电活性材料的示例性电化学电池组电池的示意图；
图2是示出根据本公开的各个方面的用于制备包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性部分脱嵌方法的流程图；
图3是根据本公开的各个方面的用于前体材料的部分脱嵌以形成包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性电化学化学方法的图示；
图4是示出根据本公开的各个方面的用于制备包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性完全脱嵌和部分重新嵌入方法的流程图；
图5是根据本公开的各个方面的用于将二次阳离子部分重新嵌入到层状电活性材料中以形成包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性电化学化学方法的图示；和
图6是示出根据本公开的各个方面的用于制备包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性离子交换和部分脱嵌方法的流程图。
遍及附图的几个视图，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从而使得本公开将为完全的，并使本公开将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、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表现，并且它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
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，并且无意作为限制性的。除非上下文清楚地另行指明，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”可旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“涵盖”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，但不排除一个或多个其它特征、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，该术语或可被理解成替代性地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/或方法步骤，但是不在实质上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、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或举例说明的特定次序执行，除非明确确定为执行次序。还要理解的是，除非另行说明，可采用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”，“啮合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上时，其可直接在另一组件、元件或层上，啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可存在居间元件或层。相较之下，当元件被提到“直接在另一元件或层上”，“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上时，可不存在居间元件或层。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”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、组件、区域、层和/或区段，但除非另行说明，这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。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。除非上下文清楚表明，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。
为了易于描述，在本文中可使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等描述如附图中所示的一个元件或特征与其它(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，空间或时间上的相对术语可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，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的轻微偏差和大致具有所提及值的实施方案以及确切具有所提及值的实施方案。除了在详细描述最后提供的工作实例中之外，本说明书(包括所附权利要求)中的(例如量或条件)参数的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“约”。“约”是指所述数值允许一定的轻微不精确(在一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地近似该值；几乎是)。如果在本领域中不以这种普通含义另行理解由“约”提供的不精确性，那么本文所用的“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”可包括小于或等于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的公开，包括对该范围所给出的端点和子范围的公开。
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方案。
本技术涉及包含层状电活性材料的电化学电池及其使用和形成方法。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粒子限定。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(附加地或可替代地)多个固态电解质粒子。隔离件26中包含的或限定隔离件26的多个固态电解质粒子可以与正电极24和/或负电极22中包含的多个固态电解质粒子相同或不同。
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(也被称为负电活性材料层)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，负电活性材料层可设置在第一集流体32的第一侧面上，且正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(expanded metal)。
第二集流体34(例如，正极集流体)可位于正电极24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，正电极24(也被称为正电活性材料层)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，正电活性材料层可设置在第二集流体34的第一侧面上，且负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具有比正电极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处的反应如嵌入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处形成嵌入锂。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穿过隔离件26流回前往负电极22，以为负电极22补充锂(例如，嵌入锂)以供下一次电池组放电事件过程中使用。因此，一次完全的放电事件随后是一次完全的充电事件被认为是一次循环，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、构造和特定的最终用途而变化。一些特别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)并且以电气并联布置连接的层的方式组装以提供合适的电能和功率包。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。但是，本技术还适用于固态电池组和/或半固态电池组，其包括可具有本领域技术人员已知的不同设计的固态电解质和/或固态电解质粒子和/或半固态电解质和/或固态电活性粒子。
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两个实例，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。如果负载装置42需要，则电池组20也可与其它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体系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、液体还是凝胶形式。例如，在某些方面，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的混合物中的锂盐。在电池组20中可以使用许多常规的非水性液体电解质30溶液。
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)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)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)，脂族羧酸酯(例如，甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯等)，γ-内酯(例如，γ-丁内酯、γ-戊内酯等)，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)，环状醚(例如，四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧戊环等)，硫化合物(例如，环丁砜)，及其组合。
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多微孔聚合物隔离件。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。可商购的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是多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孔隙的纤维膜，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多微孔聚合物隔离件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，或者隔离件26的一个或多个表面可以涂覆有陶瓷材料和/或耐热材料。在某些变体中，陶瓷材料和/或耐热材料可以设置在隔离件26的一个或多个侧面上。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：Nomex、Aramid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多微孔聚合物隔离件26的许多制备方法。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，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中示出的多孔隔离件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(例如，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基质和液体电解质。聚合物基质可以包括，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。在某些变体中，半固体或凝胶电解质也可存在于正电极24和/或负电极22。
正电极24(也被称为正电活性材料层)由锂基活性材料形成，所述锂基活性材料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粒子限定。这样的正电活性材料粒子可以设置在一个或多个层中从而限定正电极24的三维结构。电解质30可以例如在电池组装之后被引入，并且被包含在正电极24的孔隙内。在某些变体中，正电极24可以包含多个固态电解质粒子。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，并且在某些方面，任选大于或等于约10μm至小于或等于约200μm的平均厚度。
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)或其组合。在其他变体中，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)或其组合。在再其他变体中，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)或其组合。在再其他变体中，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)或其组合。在再其他变体中，正电活性材料包括由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。
在再其他变体中，正电极24可以是包含正电活性材料的组合的复合电极。例如，正电极24可以包含第一正电活性材料和第二电活性材料。第一正电活性材料与第二正电活性材料的比率可以大于或等于约5：95至小于或等于约95：5。在某些变体中，第一和第二电活性材料可以独立地选自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(tavorite)或其组合。
在每种变体中，正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，浆料流延)。例如，正电极24可以包含大于或等于约70重量％至小于或等于约98重量％，并且在某些方面，任选大于或等于约80重量％至小于或等于约97重量％的正电活性材料；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；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。
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)、聚偏二氟乙烯和聚六氟丙烯的共混物、聚三氟氯乙烯、三元乙丙(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，碳基材料、镍粉或其他金属粒子或导电聚合物。碳基材料可以包括，例如，石墨粒子、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)、导电炭黑(例如，SuperP(SP))等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。
负电极22(也被称为负电活性材料层)由能够充当锂离子电池组的负极端子的锂基质材料形成。在各个方面，负电极22可以由多个负电活性材料粒子限定。这种负电活性材料粒子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的负电活性材料粒子之间的孔隙内。例如，在某些变体中，负电极22可包含多个固态电解质粒子。在每种情况中，负电极22(包括一个或多个层)可以具有大于或等于约0nm至小于或等于约500μm，任选大于或等于约1μm至小于或等于约500μm，并且在某些方面，任选大于或等于约10μm至小于或等于约200μm的平均厚度。
在各个方面，负电活性材料包括原子层状电活性(或阳极)材料，其中每个晶面被认为是一层。原子层状电活性材料可以包括硅(Si)、锗(Ge)和/或硼(B)。例如，负电活性材料可以包括硅(Si)的二维层状同素异形体、锗(Ge)的二维层状同素异形体和/或硼(B)的二维层状同素异形体。二维层状同素异形体可以包括在埃尺度下在平面内强结合并且在平面外弱耦合(即，在层之间几乎没有结合)的原子的平面，类似于石墨。例如，原子层状阳极材料可以包括硅烯、多层硅烯、锗烯、多层锗烯、硼烯、多层硼烯或其任何组合。原子层状电活性材料可以形成微米级和/或纳米级电活性材料粒子，包括例如具有大于或等于约100nm至小于或等于约50μm的平均直径的电活性材料粒子。
这样的原子层状电活性材料可以表现出改善的可循环性，例如，层状电活性材料在约100mA/g电流下可以具有约2,000mAh/g的固有容量(intrinsic capacity)。层状电活性材料在100mA/g电流下可以具有2,000mAh/g的固有容量。层状结构可用于释放锂化过程中产生的内应力并增强负电极22内的离子扩散。例如，二维结构可以允许锂离子经由伪范德华间隙(pseudo van der Waals gap)嵌入在层之间，以在不破坏晶格结构的情况下储存锂离子，从而有助于避免结构的粉碎或爆裂(类似于锂在石墨中的嵌入)。另外，在层之间形成的二维通道可以更好地促进离子扩散以允许更快的充电速率。
在各个方面，原子层状电活性材料可以包括一个或多个设置在原子平面之间并且结合原子平面的其他(或晶面间)原子。晶面间结合补充了范德华力，并有助于增强层状电活性材料的层间完整性以及层状电活性材料的导电性，例如，通过进一步限制体积膨胀以及还限制原子平面的解理或剥离以及保持电子接触。晶面间结合还可以允许电活性材料粒子的进一步多晶型控制(例如，通过控制电活性材料中剩余(或留下)的阳离子的量，如下文进一步详述的)。在某些变体中，一个或多个其他原子可以包括二价阳离子，如钙(Ca)、镁(Mg)、锌(Zn)、铜(Cu)和/或镍(Ni)原子。在其他变体中，一个或多个其他原子可以包括单价阳离子，如钾(K)和/或钠(Na)。例如，在各个方面，一个或多个其他原子可以选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。在各个方面中，阳离子与限定原子层的原子的比率可以小于1∶2。例如，原子层状电活性材料可以由原子式X1 (1-y)X2 2表示，其中X1选自钙、镁、锌、铜、镍、钾和/或钠，X2选自硅、锗和/或硼，并且y小于1。例如，当前体材料包含CaSi2时，原子层状电活性材料可以由Ca(1-x)Si2表示，其中0<x＜1。
在某些变体中，包含晶面间原子的原子层状电活性材料可以被预锂化。例如，可以在二维结构的原子层之间引入锂离子(Li+)。电活性材料可以在并入负电极22和/或电池组20之前或之后进行预锂化。例如，在某些变体中，电活性材料可以使用如2022年6月15日提交且发明人姓名为Yuntao Gu、Jeffrey David Cain、Sayed Youssef Sayed Nagy、Nicholas Paul William Pieczonka和Thomas E.Moylan的标题为“Methods forFabricating Pre-Lithiated，Two-Dimensional Anode Materials”的美国申请序列号17/840,928中；以及在2021年6月1日提交且发明人姓名为Jeffery David Cain、ThomasE.Moylan、Leng Mao、Paul Taichiang、Nicholas Paul William Pieczonka和Andrew ClayBobel的标题为“Electrochemical Exchange for the Fabrication of a Layered AnodeMaterial”的美国申请序列号17/335,972中详述的那些方法进行预锂化，它们的全部公开内容通过引用并入本文。电活性材料的预锂化可以有助于补偿循环过程中的锂损失，例如在第一循环过程中在转化反应和/或LixSi和/或固体电解质界面(SEI)层(未示出)在负电极22上的形成期间可导致锂损失以及由于例如连续的固体电解质界面(SEI)形成而引起的持续锂损失。
在某些变体中，负电极22可以是包含负电活性材料的组合的复合电极。例如，负电极22可以包含第一负电活性材料和第二负电活性材料。第一负电活性材料与第二负电活性材料的比率可以大于或等于约5：95至小于或等于约95：5。在某些变体中，第一负电活性材料可以是二维层状电活性材料，并且第二负电活性材料可以包括例如三维层状电活性材料。在其他变体中，第一负电活性材料可以是二维层状电活性材料，并且第二负电活性材料可以包括例如碳质材料(例如，石墨、石墨烯、硬碳、软碳等)。第一负电活性材料的原子层状电活性材料可以包含晶面间原子，如钙、镁、锌、铜、镍、钾和/或钠。
在每个变体中，负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，任选大于或等于大约60重量％至少于或等于约95重量％的负电活性材料；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；和大于或等于0重量％至小于或等于约20重量％，在某些方面，任选大于或等于约0.5重量％至小于或等于约10重量％的聚合物粘合剂。在负电极22中包含的导电添加剂和/或粘合剂材料可以与正电极24中包含的导电添加剂相同或不同。
在各个方面，本公开提供了用于制备用于负电极，如图1所示的负电极22的包含晶面间原子的层状电活性材料的方法。例如，一种示例性方法可以包括从前体材料中部分除去阳离子。另一个示例性方法可以包括从前体材料中完全除去阳离子并部分嵌入所选阳离子。又一个示例性方法可以包括离子交换方法，随后进行部分脱嵌。
图2示出用于制备包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性方法200，其中方法200是包括从前体材料中部分除去阳离子220的脱嵌方法。前体材料可以包括由M1 xM2 2表示的离子/原子物类，其中M1选自钙、镁、锌、铜、镍、钾和/或钠，M2选自硅、锗和/或硼，并且x小于1。在每种情况中，前体材料包括交替的层，使得阳离子(例如，Ca2+)可进行电化学提取。例如，前体材料可以包含CaSi2，其是包含交替的硅和钙原子层的化合物。当阳离子(例如，Ca2 +)被除去时，保留二维层状晶体，并且残留的阳离子是晶面间原子。从前体材料中部分除去阳离子(例如，Ca2+)220可以包括从前体材料中除去小于或等于约50％，并且在某些方面，小于或等于约95％的有效阳离子。方法200还可以包括制备前体材料210和/或在电极和/或电化学电池中并入所形成的电活性材料(在有或没有集流体(例如332)的情况下)230。此外，尽管未示出，但在某些变体中，方法200还可以包括用于预锂化所形成的电活性材料的一个或多个步骤，如上所述。
在某些变体中，可使用电化学方法部分除去阳离子220，如于2021年6月1日提交且发明人姓名为Jeffery David Cain、Thomas E.Moylan、Leng Mao、Paul Taichiang、Nicholas Paul William Pieczonka和Andrew Clay Bobel的标题为“ElectrochemicalExchange for the Fabrication of a Layered Anode Material”的美国申请序列号17/335,972中详述的电化学方法，其全部公开内容通过引用并入本文。例如，根据本公开的各个方面的电化学方法300可以包括向前体组装件施加偏压和/或电流，以引起阳离子远离前体组装件移动，从而形成包含晶面间原子的层状电活性材料312。例如，如图3所示，前体材料310可以设置在第一集流体332的表面上或其附近。第一集流体332可以是类似于图1所示的负极集流体32的负极集流体。第一集流体332可以与第二集流体334对齐。第二集流体334可以是类似于图1所示的正极集流体34的正极集流体。如图3所示，可以施加偏压(即，电压)和/或电流，以引起部分阳离子350B从前体材料310移动至第二集流体334，从而在第一集流体332上或附近留下(即，产生)具有一些晶面间阳离子350A的二维层状阳极材料312。
在某些变体中，电化学方法300可以包括间歇方法，其包括例如在施加偏压和/或电流之前，将前体组装件放置在电子导电的液体可渗透笼内并将电子导电的液体可渗透笼放置在电解质浴(包括类似于图1所示的电解质30的电解质)中。电子导电的液体可渗透笼可以被配置为保留或保持前体材料310，同时允许阳离子流动或移动到电子导电的液体可渗透笼中和从电子导电的液体可渗透笼中流动或移动出。在其他变体中，电化学方法300可以包括连续方法，其包括例如，随着使用辊对辊配置施加偏压和/或电流，使前体组装件移动通过电解质浴(包括类似于图1所示的电解质30的电解质)。在每种情况中，为了保留部分晶面间阳离子350A，电化学方法300可以包括放电至预选电压或者替代性地以预选电流放电预选时间段。例如，在某些变体中，例如当前体材料310包括CaSi2时，阳离子(例如，Ca2+)可以以约0.5A/g从结构中释放约1小时，并且将提取约90％的有效阳离子。
重新参考图2，在其他变体中，可以使用化学提取方法部分除去阳离子220。例如，在某些变体中，前体材料可以暴露于浓盐酸。反应物比率可以被限制为预选化学计量以保留选定的晶面间阳离子部分。例如，当前体材料包含CaSi2时，每两个有效氯离子(例如，Cl-)可以除去一个阳离子(例如，Ca2+)，如下面方程所表示的：CaSi2+HCl·H2+CaCl2。可以选择溶液中有效氯的数量，使得特定量的阳离子(例如，Ca2+)保留在电活性材料结构中。
图4示出了用于制备包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性方法400，其中方法400包括从前体材料中除去所有第一阳离子物类420，并将另一阳离子物类部分嵌入到晶面间(或层间)空间中430。如在以上详述实例中，前体材料可以包括由M1 xM2 2表示的离子/原子物类，其中M1选自钙、镁、锌、铜、镍、钾和/或钠，M2选自硅、锗和/或硼，并且x小于1。与如图2所示的上述方法200不同，如图4所示的方法400从前体材料中除去基本所有的(例如可以保留小于5原子％的第一阳离子物类)第一阳离子物类以形成层状电活性材料，并且部分引入(或嵌入)第二阳离子物类430以形成包含晶面间原子的层状电活性材料。第二阳离子物类的引入430是“部分”的，因为第一阳离子物类与第二阳离子物类的交换不是一对一的交换，而是通过除去第一阳离子物类形成的层状电活性材料是仅部分(例如，50％至约90％)浸渍有第二阳离子物类。第一和第二阳离子物类可以独立地选自钙、镁、锌、铜、镍、钾和/或钠。
在某些变体中，可以使用酸蚀刻方法和/或化学提取方法和/或电化学提取来除去第一阳离子物类420，如上文在如图2所示的方法200的上下文中详细描述的。在某些变体中，可以使用电化学嵌入方法将第二阳离子物类嵌入到晶面间空间中430。电化学嵌入方法可包括电化学交换方法，如2021年6月1日提交且发明人姓名为Jeffery David Cain、Thomas E.Moylan、Leng Mao、Paul Taichiang、Nicholas Paul William Pieczonka和Andrew Clay Bobel的标题为“Electrochemical Exchange for the Fabrication of aLayered Anode Material”的美国申请序列号17/335,972中详述的电化学交换方法，其全部公开内容通过引用并入本文。例如，根据本公开的各个方面的电化学方法500，并且类似于如上详述的用于除去阳离子的电化学方法300，可以包括向所形成的层状电活性材料512施加偏压和/或电流，以引起二次阳离子向层状电活性材料移动以形成包含晶面间原子的层状电活性材料514。例如，如图5所示，所形成的层状电活性材料512可以设置在第一集流体532的表面上或其附近。第一集流体532可以是类似于图1所示的负极集流体32的负极集流体。第一集流体532可以与第二集流体562对齐。第二集流体562可以是类似于图1中所示的正极集流体34的正极集流体。二次阳离子552可以设置在第二集流体562的一个或多个表面上。如图5所示，可以施加偏压(即电压)和/或电流，以引起二次阳离子552向层状电活性材料512移动以形成包含晶面间原子的层状电活性材料514。如图所示，二次阳离子552可以移动到通过除去第一阳离子而产生的层间空间或空隙550中。与电化学方法300的情况类似，电化学方法500可以包括间歇方法和/或连续方法。
重新参考图4，在某些变体中，方法400还可以包括制备前体材料410和/或将所形成的电活性材料(在有或没有集流体的情况下)并入电极和/或电化学电池中440。此外，尽管未示出，但在某些变体中，方法400还可以包括用于预锂化所形成的电活性材料的一个或多个步骤，如上所述。
图6示出了用于制备包含晶面间原子的层状电活性材料的示例性方法600，其中方法600包括使前体材料经受离子交换方法以形成改性前体材料620，并从改性前体材料中部分除去(即，脱嵌)二次阳离子630。如在上述详细实例中，前体材料可以包括由M1 xM2 2表示的离子/原子物类，其中M1选自钙、镁、锌、铜、镍、钾和/或钠，M2选自硅、锗和/或硼，并且x小于1。然而，与图2中所示的上述方法200不同，该方法包括在部分脱嵌630之前的离子交换方法620。在某些变体中，离子交换方法620可以包括使前体材料与金属氯化物(例如，NiCl2、MgCl2等)在固态反应中反应以取代阳离子。在某些变体中，可以使用化学提取方法和/或电化学方法(如图3中所示的电化学方法300)从改性前体材料中部分除去阳离子630。从改性前体材料中部分除去阳离子630可以包括从改性前体材料中除去小于或等于约50％，并且在某些方面，小于或等于约95％的有效阳离子。选择阳离子的组合可有助于提供更强的晶面间相互作用和/或电子电导率。在各个方面，方法600还可以包括制备前体材料610和/或将所形成的电活性材料(在有或没有集流体的情况下)并入电极和/或电化学电池中650。此外，尽管未示出，但在某些变体中，方法200还可以包括用于预锂化所形成的电活性材料的一个或多个步骤，如上所述。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方案的前述描述。其并非意在穷举或限制本公开。特定实施方案的单个要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的并可以在所选实施方案中使用，即使并未具体示出或描述。其同样也可以以多种方式变化。这样的变体不应被视为背离本公开，并且所有这样的修改均意在包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于形成层状负电极材料的方法，所述方法包括：
从前体材料中除去阳离子以形成包含包括原子的多个原子层且具有设置在所述原子层之间的离子的层状负电极材料，其中所述离子与限定所述原子层的原子的比率小于1：2。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体材料中的阳离子包括第一阳离子部分和第二阳离子部分，并且所述除去阳离子是除去所述第一阳离子部分，其中所述前体材料中剩余的所述第二部分限定所述离子。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述除去阳离子包括电化学提取方法或化学提取方法。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体材料由M1 xM2 2表示，其中M1选自：钙、镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合，M2选自：硅、锗、硼及其组合，并且x小于1。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述除去阳离子包括除去所述前体材料中的基本所有阳离子，并且所述方法进一步包括：
重新嵌入二次阳离子以形成设置在所述多个原子层之间的离子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述前体材料包含CaX2，其中X选自：硅、锗、硼及其组合，并且所述二次阳离子选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述重新嵌入包括化学方法或电化学方法。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述从前体材料中除去阳离子包括使用离子交换方法将所述阳离子交换为二次阳离子以形成包含第一二次阳离子部分和第二二次阳离子部分的改性前体材料，并且从所述改性前体材料中脱嵌所述第一二次阳离子部分，其中所述第二二次阳离子部分限定设置在所述原子层之间的离子。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述前体材料包含CaX2，其中X选自：硅、锗、硼及其组合，并且所述二次阳离子选自：镁、锌、铜、镍、钾、钠及其组合。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述脱嵌第一二次阳离子部分包括电化学提取方法或化学提取方法。
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