TW202201839A - 鋰離子電池 - Google Patents

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Abstract

揭露了提供具有高能量密度的鋰離子電池配置之系統及方法。實施方式提供了鋰離子電池，該等鋰離子電池包含包括30至85 wt.%的矽的陽極，從而促進了該等鋰離子電池的高能量密度和高N : P比率。該高N : P比率進一步使得實現該等鋰離子電池的快速充電和低溫充電性能。

Description

鋰離子電池
本發明總體上關於電池。更具體地，本發明關於被配置為提供高功率和高能量密度、具有高的熱穩定性的鋰離子電池。
各種形式的電池的使用在當今世界已變得幾乎無處不在。隨著越來越多的可擕式裝置或無繩裝置（如電動工具（例如，鑽孔機、鋸、割草機、鼓風機、打磨機等）、小型器具（例如，混合器、攪拌機、咖啡研磨機等）、通訊裝置（例如，智慧手機、個人數位助理等）、以及辦公設備（例如，電腦、平板電腦、印表機等））的廣泛使用，使用化學過程和配置不同的電池技術很常見。
近年來，鋰離子電池（LiB）配置在關於可擕式裝置或無繩裝置、以及電動車輛的使用方面已得到了普及。雖然與如NiCd等的電池配置相比，LiB可能提供較不穩定的化學過程（例如，包含可燃電解液），但是與許多可再充電電池配置（例如，NiCd和NiMH（鎳金屬氫化物））相比，具有更高的能量密度和更低的毒性水平，典型地不具有記憶效應並且經歷低自放電，並因此提供了當今可擕式裝置或無繩裝置中常用的可再充電電池配置。
可擕式裝置或無繩裝置的尺寸和重量通常是重要的考慮。由於車載可再充電電池系統（通常包括呈電池組形式的多個單獨電池）的尺寸和重量通常對可擕式裝置或無繩裝置的整體尺寸和/或重量具有明顯的貢獻，因此可再充電電池的尺寸和重量在主機裝置的設計中可能是重要的。此類尺寸和重量關注與對於儲存和遞送足夠功率以使得實現主機可擕式或無繩裝置、或電動車輛的有效和所需使用的需求相平衡。
目前可用的鋰離子電池具有若干缺點。例如，作為最常用的陽極材料之一的石墨由於其有限的容量/單位體積和/或單位重量已經變成阻止鋰離子電池的能量密度顯著改善的主要限制因素之一。例如，100%完全鋰化的石墨相比於100%完全鋰化的矽的3400至4200 mAh/g具有330至372 mAh/g的容量，儘管該等材料在電池製造領域中的使用方式並不構成其全容量。隨著對具有更高能量密度的電池的需求持續增加，其他具有高得多的容量的材料（如矽）已經被用作石墨的添加劑以改善陽極容量。然而，當用於鋰離子電池的陽極時，矽在電池充電時傾向於顯著膨脹（最高達300%），導致需要額外的電池體積以適應矽的膨脹，該膨脹引發了安全問題，因為陽極在電池或電池單元的有限空間內的膨脹可能導致對電池或電池單元的結構完整性的損壞，分別影響性能和能量密度。另外，矽在陽極中的膨脹可能產生黏附性問題並且引入在陽極中使用額外的黏合劑的需要。目前可用的鋰離子電池中的陽極通常限制至約30 wt.%的最大矽濃度以避免該等問題（例如，由於矽膨脹）。因此，當嘗試改善鋰離子電池的能量密度和/或功率密度時，超過30 wt.%的矽陽極目前表現出尚未解決的設計約束。
另外，目前可用的鋰離子電池具有相對慢的充電倍率，這可能限制了其在許多領域的應用。更具體地，因為陽極中使用的石墨具有有限的容量/單位體積和單位重量，因此略微大於一的N : P比率（例如，1.05的N : P比率）通常用於商業鋰離子電池以限制陽極（石墨）的佔用面積。由於陽極容量相對於陰極容量的有限過剩，因此目前可用的鋰離子電池必須緩慢充電以避免過度充電導致的不利影響。目前可用的鋰離子電池的緩慢充電的另一個原因係在充電期間，石墨陽極達到了鋰還原電位，這在快速充電過程和/或冷充電條件下可能導致形成鋰枝晶。
已經發現了與鋰離子電池有關的上述問題的至少一些的解決方案並且該解決方案使得實現包含具有30至85 wt.%的矽含量的陽極的鋰離子電池。值得注意地，因為與石墨相比，矽具有顯著更高的容量/單位體積和單位重量，因此陽極中的高矽含量可以幫助減小鋰離子電池中的陽極的總體積和/或重量。這對於至少減小達到預定容量所需的鋰離子電池體積，產生改善的能量密度可以是有益的。相比於含有低的矽或基本上不含矽的陽極，陽極中的高濃度的矽進一步有助於減小鋰離子電池的陽極的厚度。
此外，用於形成本揭露的鋰離子電池的陽極的矽材料被配置為當電池充電後（或充電時）展現出有限的體積膨脹，從而減輕對於適應矽膨脹的額外的電池體積的需要，減小由在電池的有限空間內的矽膨脹而引起的風險，並且最終使得實現鋰離子電池中如85 wt.%一樣高的陽極矽含量。例如，用於矽的具有高的直徑與長度比率的長徑比的矽奈米線僅沿較佳的方向膨脹，從而控制電池單元的總膨脹。也可以使用被柔性石墨烯片封裝的矽顆粒，因為石墨烯片充當柔性膜用於限制矽顆粒的膨脹。也可以在陽極中實施過量的矽以防止矽開始全體積膨脹。最後但同樣重要的，陽極中的矽的至少一些可以呈氧化矽形式以找到陽極容量和體積膨脹的平衡點，因為相比於矽，氧化矽具有較低的體積膨脹但較低的容量。
此外，在陽極中使用高濃度的矽（具有為石墨容量的約5至10倍容量）可能導致本揭露的鋰離子電池的高N : P比率（負電極容量比正電極容量）。相比於陰極容量的過量的陽極容量可以促進鋰離子電池的快速充電和/或低溫充電，其中在不利影響上具有最小的問題。過量的矽陽極被配置為説明防止陽極達到鍍鋰電位並形成鋰枝晶。此外，本揭露的鋰電池可以包括不可燃的電解液（包括離子液體），從而增強本揭露的鋰離子電池的安全性。
相比於目前可用的鋰離子電池，在本發明之實施方式中所揭露的鋰離子電池示出顯著改善的能量密度同時滿足用於各種裝置所需的安全標準，該等裝置包括但不限於，電動工具、真空吸塵器、草坪和園藝設備、電動車輛、可擕式智慧裝置。根據本發明之實施方式，由於從至少1.2至4的N : P比率，鋰離子電池可以在約0°C的低溫下以最高達5 C至10 C（例如，分別在12-6分鐘內充電）的充電倍率並且在約-20°C的低溫下最高達4 C（即15分鐘）充電，從而進一步使得鋰離子電池能夠在需要在低溫環境下操作和充電的裝置和/或電動車輛中使用。「充電倍率」可以被定義為電流或「C-倍率」。因此，本揭露的鋰離子電池提供了關於上述目前可用的鋰離子電池（如低能量密度、緩慢充電倍率、以及缺乏在低溫下再充電的能力）的技術成就。
以下包括整個本說明書中使用的各種術語和短語的定義。
術語「約」或「大致」被定義為接近於，如熟悉該項技術者所理解的。在一個非限制性實施方式中，該等術語被定義為在10%以內、較佳的是在5%以內、更較佳的是在1%以內、並且最較佳的是在0.5%以內。
術語「wt.%」、「vol.%」、或「mol.%」分別是指組分的重量、體積、或莫耳百分比（基於包括該組分的材料的總重量、總體積、或總莫耳數）。在非限制性實例中，100莫耳的材料中10莫耳的組分係10 mol.%的組分。
術語「基本上」及其變型被定義為包括10%以內、5%以內、1%以內、或0.5%以內的範圍。
當在申請專利範圍和/或說明書中使用時，術語「抑制」或「減小」或「防止」或「避免」或該等術語的任何變型包括任何可測量的減少或完全抑制以實現所需的結果。
術語「有效的」，當該術語在說明書和/或申請專利範圍中使用時，意指足以實現所需的、期望的或預期的結果。
當與術語「包含」、「包括」、「含有」、或「具有」結合用於申請專利範圍或說明書中時，詞語「一個/種」的使用可以意指「一個/種」，但其也符合「一個/種或多個/種」、「至少一個/種」以及「一個/種或多於一個/種」的含義。
詞語「包含（comprising）」（以及包含的任何形式，如「包含（comprise）」和「包含（comprises）」）、「具有（having）」（以及具有的任何形式，如「具有（have）」和「具有（has）」）、「包括（including）」（以及包括的任何形式，如「包括（includes）」和「包括（include）」）或「含有（containing）」（以及含有的任何形式，如「含有（contains）」和「含有（contain）」）係包含性的或開放式的並且不排除另外的、未列舉的要素或方法步驟。
本發明之方法可以「包含」整個說明書中所揭露的特定的成分、組分、組成物等、「基本上由其組成」、或「由其組成」。關於過渡階段「基本上由其組成」，在一個非限制性方面，本發明之壓敏黏合劑的基本和新穎的特徵係它們響應於選定的電磁輻射而引發聚合物斷裂的能力。
前面已經相當廣泛地概述了本發明之特徵和技術優點，以便可以更好地理解下面對本發明之詳細描述。以下將描述形成本發明之請求項的主題的本發明之附加特徵和優點。熟悉該項技術者應當理解，所揭露的構思和具體實施方式可以容易地用作修改或設計用於實現本發明之相同目的其他結構的基礎。熟悉該項技術者還應當認識到，這樣的等效構造不脫離所附請求項中闡述的本發明之精神和範圍。當結合附圖考慮時，從下面的描述中將更好地理解被認為係本發明之特性的新穎特徵（關於其組織和操作方法兩者）以及另外的目的和優點。然而，應當清楚地理解，每個圖僅僅是為了說明性和描述性目的而提供的，並且不旨在作為本發明之限制的限定。
由於鋰離子電池提供的高能量和功率密度，鋰離子電池被用於各種裝置和電動車輛中。隨著該等裝置和電動車輛的性能和功率輸出的不斷改善，對具有更高能量密度的電池的需求迅速增長。然而，包括陽極的低容量和有限的充電速度的一些問題已經成為改善鋰離子電池發展中的瓶頸。
石墨（在目前可用的鋰離子電池中發現的用於陽極的最常用的材料）具有相對低的容量/單位體積和/或單位重量，這限制了在電池單元的有限空間內增加功率容量的潛力。在過去的幾年中，展現出石墨的約五至十倍的容量/單位體積和/或單位重量的矽已經被用作石墨的添加劑以改善鋰離子電池中陽極的容量。然而，該等目前可用的鋰離子電池中的矽在電池充電時顯著膨脹，導致鋰離子電池需要額外的體積並且產生了由電池中的矽膨脹而引起的安全問題。本發明提供了與目前可用的鋰離子電池有關的上述問題中的至少一些的解決方案。所揭露的解決方案以鋰離子電池為前提，該鋰離子電池包括陽極，該陽極包含大於30 wt.%、較佳的是大於40 wt.%、並且如85 wt.%一樣高的矽，該矽被配置為當在充電期間時展現出有限的或可忽略的體積膨脹，從而減輕安全問題並減小對於適應鋰離子電池中的矽膨脹的額外空間的需要。
本發明之該等和其他非限制性方面在以下部分中進一步詳細論述。A. 鋰離子電池
在本發明之實施方式中，鋰離子電池包含陽極、陰極和電解液。該鋰離子電池相比於常規鋰離子電池可以具有顯著改善的能量密度。參考圖1，示出了鋰離子電池100之示意圖。
根據本發明之實施方式，鋰離子電池100包括陽極101。陽極101可以包括包含矽基材料的陽極活性層102。矽基材料的非限制性實例可以包括矽和氧化矽（SiOx ）。在一些情況下，陽極101包含大於30 wt.%的矽基材料。在一些情況下，陽極101可以包含30至85 wt.%的矽基材料，以及在其之間的所有範圍和值（包括30至35 wt.%、35至40 wt.%、40至45 wt.%、45至50 wt.%、50至55 wt.%、55至60 wt.%、60至65 wt.%、65至70 wt.%、70至75 wt.%、75至80 wt.%、以及80至85 wt.%的範圍）的矽基材料。在一些其他方面，陽極101可以包括75至85 wt.%的矽基材料。陽極101的矽基材料可以被配置為當鋰離子電池100充電時或充電後膨脹小於50 vol.%。在一些方面，包括矽的陽極101可以在整個充電過程期間膨脹50至100 vol.%，這取決於陽極101中使用的矽材料的一種或多種類型。在本發明之實施方式中，包含30至85 wt.%的矽基材料的陽極101可以被配置為具有相比於不包括矽的石墨陽極最高達10倍的陽極容量，並且相比於具有30 wt.%的矽濃度的石墨陽極最高達5倍的陽極容量。在一些情況下，具有30 wt.%矽的陽極101可以具有最高達700 mAh/g的容量並且具有85 wt.%矽的陽極101可以具有3400 mAh/g的容量，其比石墨容量高10倍。
在一些方面，陽極101的矽基材料可以包括矽奈米線（如圖2所示）、封裝在碳中的矽（如圖4A和4B所示）、矽和石墨烯共混物、矽和彈性聚合物混合物、氧化矽、或其任何組合。陽極101的矽奈米線可以進一步包括沉積在其上的摻雜劑。摻雜劑的非限制性實例可以包括錫、鍺、鐵、鋁、鎂、或其任何組合。鈍化劑可以呈奈米顆粒的形式。在一些方面，矽奈米線可以具有在100至1000 nm的範圍內以及在其之間的所有範圍和值的平均直徑。在一些情況下，陽極101的矽奈米線可以經由刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積、沉澱和/或燒蝕產生。
在一些方面，陽極101的矽基材料可以被配置為遵循如圖3A和3B所示的「蛋黃」模型的「蛋黃」配置。如圖3A所示，具有「蛋黃」配置的矽基材料可以在其內部具有空腔。當鋰離子電池100充電時，空腔可以收縮以適應矽的膨脹同時保持總體積基本上不變（例如，當其充電和放電時，矽的總直徑R1 可以基本上相同，如圖3A和3B所示）。當鋰離子電池100放電時，矽的膨脹可以基本上逆轉並且空腔可以基本上恢復至其原始尺寸。
在一些方面，陽極101的矽基材料可以包括封裝在碳中的矽，並且封裝在碳中的矽可以包括矽顆粒（矽本體材料），該等矽顆粒具有0.5至10 µm以及在其之間的所有範圍和值（包括0.5至1 µm、1至1.5 µm、1.5至2.0 µm、2.0至2.5 µm、2.5至3.0 µm、3.0至3.5 µm、3.5至4.0 µm、4.0至4.5 µm、4.5至5.0 µm、5.0至5.5 µm、5.5至6.0 µm、6.0至6.5 µm、6.5至7.0 µm、7.0至7.5 µm、7.5至8.0 µm、8.0至8.5 µm、8.5至9.0 µm、9.0至9.5 µm、9.5至10 µm的範圍）的平均直徑。封裝在碳中的矽可以具有在0.1至4的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括0.1至0.4、0.4至0.8、0.8至1.2、1.2至1.6、1.6至2.0、2.0至2.4、2.4至2.8、2.8至3.2、3.2至3.6、以及3.6至4.0的範圍）的總的矽與碳重量比。封裝矽的碳可以包括石墨、石墨烯、碳灰、或其任何組合。在本發明之實施方式中，封裝在碳中的矽經由刻蝕、化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、沉澱、以及燒蝕產生。如圖4A和4B所示，當鋰離子電池100充電時，石墨烯和/或聚合物封裝層可以被配置為限制矽的膨脹，導致鋰離子電池100中減輕的矽膨脹。當鋰離子電池100放電時，矽顆粒和石墨烯和/或聚合物封裝層可以基本上恢復至其原始形狀。
在一些方面，陽極101的矽基材料可以包括矽-石墨烯共混物，並且矽-石墨烯共混物可以具有在0.1至4的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括0.1至0.4、0.4至0.7、0.7至1、1至1.3、1.3至1.6、1.6至1.9、1.9至2.2、2.2至2.5至2.8、2.8至3.1、3.1至3.4、3.4至3.7、以及3.7至4.0的範圍）的矽與石墨烯重量比。在一些情況下，矽-石墨烯共混物可以具有0.5至10 µm以及在其之間的所有範圍和值（包括0.5至1.0 µm、1.0至2.0 µm、2.0至3.0 µm、3.0至4.0 µm、4.0至5.0 µm、5.0至6.0 µm、6.0至7.0 µm、7.0至8.0 µm、8.0至9.0 µm、以及9.0至10 µm的範圍）的平均粒徑。矽-石墨烯共混物的矽顆粒可以本質上係單峰的或雙峰的。矽-石墨烯共混物的矽顆粒可以是球形的、橢球形的、圓柱形的、直角的、或其組合。
在一些方面，陽極101的矽基材料可以包括矽和彈性聚合物混合物，該混合物具有在0.5至6的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括0.5至1、1至1.5、1.5至2.0、2.0至2.5、2.5至3.0、3.0至3.5、3.5至4.0、4.0至4.5、4.5至5.0、5.0至5.5、以及5.5至6.0的範圍）的矽與聚合物重量比。彈性聚合物的非限制性實例可以包括聚丙烯酸、羧甲基纖維素、及其組合。在一些情況下，矽和彈性聚合物混合物係呈具有球形和/或橢球形顆粒的粉末形式。在本發明之實施方式中，矽和彈性聚合物混合物經由沉澱、混合、烘烤和/或其任何組合產生。在本發明之實施方式中，封裝矽顆粒可能不會改變矽奈米顆粒的形狀。
在本發明之實施方式中，陽極活性層102進一步包括碳基材料。碳基材料可以與矽基材料混合和/或塗覆在矽基材料上。碳基材料被配置為防止矽基材料的膨脹和/或改善矽基材料的導電性。碳基材料的非限制性實例可以包括石墨、石墨烯、碳灰、及其組合。在一些情況下，碳基材料可以經由沉澱、混合、烘烤、CVD、PVD、或其任何組合塗覆在矽上。在一些情況下，矽基材料上的碳基材料的塗層可以具有在5至1000 nm的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括5至10 nm、10至20 nm、20至30 nm、30至40 nm、40至50 nm、50至60 nm、60至70 nm、70至80 nm、80至90 nm、90至100 nm、100至200 nm、200至300 nm、300至400 nm、400至500 nm、500至600 nm、600至700 nm、700至800 nm、800至900 nm、以及900至1000 nm的範圍）的厚度。在本發明之實施方式中，將陽極101中的矽基材料進一步與次級材料混合。次級材料的非限制性實例可以包括錫、銻、鍺、及其組合。次級材料可以與矽以1 : 100至100 : 1以及在其之間的所有範圍和值的矽與次級材料重量比混合。
在本發明之實施方式中，陽極101包含第一金屬層103。第一金屬層103可以包括金屬片和/或金屬箔。在一些情況下，第一金屬層103包括銅。在本發明之實施方式中，將包含矽基材料和/或碳基材料的陽極活性層102塗覆在第一金屬層103的一個或兩個表面上。在一些方面，將陽極活性層102塗覆在第一金屬層103上。可以基於陽極101的目標容量確定陽極活性層102的厚度。在一些情況下，第一金屬層103上的陽極活性層102的厚度可以是在10至50 µm的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括10至12 µm、12至14 µm、14至16 µm、16至18 µm、18至20 µm、20至22 µm、22至24 µm、24至26 µm、26至28 µm、28至30 µm、30至32 µm、32至34 µm、34至36 µm、36至38 µm、38至40 µm、40至42 µm、42至44 µm、44至46 µm、46至48 µm、以及48至50 µm的範圍）。在一些方面，經由刮刀、狹縫式塗覆器、逗號（comma）塗覆器、或其任何組合的製程將陽極活性層102塗覆在第一金屬層103上。
根據本發明之實施方式，鋰離子電池100包含陰極110。在本發明之實施方式中，陰極110包括包含鋰金屬氧化物的陰極活性層112。在一些方面，陰極110的鋰金屬氧化物可以具有式Lia Nix Ay Bz O2 ，其中a ≥ 1，x ≥ 0.5，y + z = 1 - x。A的非限制性實例可以包括錳（Mn）、鈷（Co）、鋁（Al）、及其組合。B的非限制性實例可以包括鈷（Co）、錳（Mn）、鋁（Al）、及其組合。在一些情況下，x : y : z的比率可以是6 : 2 : 2、8 : 1 : 1、或9 : 0.5 : 0.5。應領會的是，x : y : z的比率不限於上述三個實例，這三個實例係出於說明的目的而不是藉由限制的方式提供的。在一些情況下，陰極110包括鋰、鎳、錳、鈷氧化物，或鋰、鎳、鈷、鋁氧化物。在一些其他情況下，陰極100包括鋰鎳氧化物、或鋰錳氧化物。
在一些方面，陰極110的鋰金屬氧化物呈核殼梯度結構，其中Ni的濃度從核殼梯度結構的外殼至核增加，如圖5所示。在一些情況下，如圖5所示，陰極110的鋰金屬氧化物的核殼結構的核部分可以包括最高達80 wt.%的Ni，並且殼部分的Ni濃度可以從殼部分的內層中的最高達約80 wt.%下降至殼部分的外層中的最高達33 wt.%。鋰金屬氧化物的核殼梯度結構可以經由共沉澱法產生。在一些方面，鋰金屬氧化物可以包括摻雜劑或表面塗層。摻雜劑或表面塗層的非限制性實例可以包括碳、鋯、鋁、鍺、及其組合。
在本發明之實施方式中，陰極110包括第二金屬層113，且陰極活性層112塗覆在第二金屬層113的一側或兩側上（應領會的是，第二金屬層113係指用於陰極110的金屬層，其中術語「第二」用於區分陰極的金屬層113與陽極的第一金屬層。因此，術語「第二」不應理解為要求陰極110包括兩個金屬層）。在一些方面，第二金屬層113包括鋁。陰極活性層112可以以20至100微米以及在其之間的所有範圍和值的厚度塗覆在第二金屬層113（第二金屬層113的每側）上。陰極活性層112可以經由逗號塗覆器、狹縫式塗覆器或刮刀塗覆在第二金屬層113上。
根據本發明之實施方式，鋰離子電池100包含佈置在陽極101與陰極110之間的電解液。電解液可以是不可燃的電解液。在一些方面，不可燃的電解液包含離子液體。離子液體可以是質子或非質子的。離子液體包括陽離子和陰離子。陽離子的非限制性實例可以包括咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯啶鎓、哌啶鎓、及其組合。陰離子的非限制性實例可以包括溴化物，氯化物，碘化物，磷酸鹽、BF4 - 、PF6 - 、TFSI- 、FSI- 、及其組合。
在本發明之實施方式中，響應於溫度增加，某些離子化合物由於熱活化而變為液體。在此狀態下的鹽通常表示為「熔鹽」，其中的一些在環境溫度下、甚至在非常低的溫度下保持為液體。在一些方面，此類熔鹽被稱為「環境溫度離子液體」或「離子液體」。電解液的離子液體被配置為改善熱穩定性並緩解包括但不限於導致火災或爆炸的短路、過充電、壓碎的安全問題。
根據本發明之實施方式，鋰離子電池100進一步包括佈置在陽極101與陰極110之間並被配置為防止陽極101與陰極110之間接觸的隔膜120。隔膜120可以包括聚乙烯（PE）和/或聚丙烯（PP）。可以用被配置為改善隔膜的機械強度的陶瓷（包括鋁氧化物和/或鋯氧化物）塗覆隔膜120。根據本發明之實施方式，鋰離子電池100包括被配置為包封陽極101、陰極110、隔膜120和電解液的殼體121。在一些方面，殼體121可以包含聚乙烯塗覆的鋁、鎳塗覆的鋼、鋁、鋼、或其任何組合。
在本發明之實施方式中，與藉由目前可用的鋰離子電池實現的550至600 Wh/L的最高能量密度相比，鋰離子電池100被配置為具有在750至900 Wh/L的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括750至760 Wh/L、760至770 Wh/L、770至780 Wh/L、780至790 Wh/L、790至800 Wh/L、800至810 Wh/L、810至820 Wh/L、820至830 Wh/L、830至840 Wh/L、840至850 Wh/L、850至860 Wh/L、860至870 Wh/L、870至880 Wh/L、880至890 Wh/L、以及890至900 Wh/L的範圍）的能量密度。關於能量/千克，鋰離子電池100被配置為具有250至450 Wh/kg以及在其之間的所有範圍和值（包括250至260 Wh/kg、260至270 Wh/kg、270至280 Wh/kg、280至290 Wh/kg、290至300 Wh/kg、300至310 Wh/kg、310至320 Wh/kg、320至330 Wh/kg、330至340 Wh/kg、340至350 Wh/kg、350至360 Wh/kg、360至370 Wh/kg、370至380 Wh/kg、和380至390 Wh/kg、390至400 Wh/kg、400至410 Wh/kg、410至420 Wh/kg、420至430 Wh/kg、430至440 Wh/kg、以及440至450 Wh/kg的範圍）的能量密度。
在本發明之實施方式中，鋰離子電池100可以具有在1.2至4的範圍內以及在其之間的所有範圍和值（包括1.2至1.6、1.6至2.0、2.0至2.4、2.4至2.8、2.8至3.2、3.2至3.6、以及3.6至4.0的範圍）的N : P比率（即，負電極（陽極101）容量與正電極（陰極110）容量的比率）。配置高的N : P比率以促進鋰離子電池100的快速充電。在一些方面，鋰離子電池的快速充電係以4至10 C-倍率進行的，該倍率分別對應於用於充電的15至6分鐘並且比目前可用的電池（例如，目前可用的21700電池）快最高達5倍。在一些方面，進一步配置用於鋰離子電池的高的N : P比率以促進鋰離子電池100在-20°C至0°C的低溫範圍下以25°C下的50%充電倍率充電。
雖然圖1示出了呈圓柱形電池單元形式的鋰離子電池，但應領會的是，鋰離子電池100可以呈各種電池單元配置，包括但不限於圓柱形電池單元、棱柱形電池單元、和袋狀電池單元。在一些情況下，鋰離子電池100可以被配置為呈圓柱形21700電池單元形式，其具有約21 mm的直徑和約70 mm的長度。在一些方面，呈圓柱形21700電池單元形式的鋰離子電池100可以具有6 Ah的功率容量。目前可用的21700電池單元形式的功率容量的更高限制係4 Ah，並且對於目前可用的21700電池單元將需要大量的研究工作以達到5 Ah的功率容量。因此，本發明之鋰離子電池100提供了關於目前可用的鋰離子電池的顯著的技術成就。
呈圓柱形21700電池單元形式的鋰離子電池100可以具有小於15毫歐姆的交流內電阻（ACIR）以及小於25毫歐姆的直流內電阻（DCIR）。在一些方面，具有6 Ah功率容量的鋰離子電池100的圓柱形21700電池單元具有最高達約30 A的連續功率放電倍率性能和持續2秒的100 A脈衝功率性能。這表示關於目前可用的21700鋰離子電池的顯著改善，該等鋰離子電池最多能夠提供3 A的連續功率以及持續2秒的8 A脈衝功率。
在一些情況下，鋰離子電池100可以被配置為具有約18 mm直徑和約65 mm長度的圓柱形18650電池單元形式。圓柱形18650電池單元形式的鋰離子電池可以具有小於20毫歐姆的ACIR和小於30毫歐姆的DCIR。雖然已經描述了呈21700和18650電池單元形式的鋰離子電池100的特徵，但應領會的是，實施方式也可以以其他電池單元形式實施以提供相似的改善，儘管連續放電倍率、脈衝放電倍率、功率容量（Ah）、DCIR和/或ACIR的具體數值可以根據具體的電池單元形式而改變。在一些方面，具有4 Ah功率容量的鋰離子電池100的圓柱形18650電池單元具有最高達5 C的連續放電倍率性能而沒有達到電壓或溫度臨界值，以及最高達16 C的脈衝功率而沒有達到電壓或溫度臨界值的任一個。
在一些方面，鋰離子電池100被配置為用於電動工具。電動工具的非限制性實例可以包括鑽孔機、鋸、割草機、鼓風機和打磨機。應領會的是，鋰離子電池100的用途並不如此受限。根據本文的概念被配置為提供高功率和高能量密度的電池可以例如用於為如可擕式智慧裝置、可擕式計算裝置、電動車輛、備用/不斷電供應系統等此類裝置供電。在本發明之實施方式中，鋰離子電池100滿足用於上述裝置中所需的安全標準。安全標準的非限制性實例可以包括UN/DOT 38.3，第5版，Amendment 1-Recommendations on the Transport of Dangerous Goods , IEC 62133-2:2017-Safety requirements for portable sealed secondary lithium cells, and for batteries made from them, for use in portable applications - Part 2: Lithium systems [修正案1-關於危險貨物運輸的建議 ，IEC 62133-2:2017-對於用於可擕式應用的可擕式密封的二次鋰電池單元、以及由其製成的電池的安全要求 - 第二部分：鋰系統] ，以及UL 2054第2版 -Household and Commercial Batteries [家用和商業電池 ]。B. 生產鋰離子電池之方法
在本發明之實施方式中，提供了生產上述鋰離子電池100之方法，該鋰離子電池可以包含具有30至85 wt.%矽基材料的陽極101。根據本發明之實施方式，用於生產鋰離子電池100之方法200（如圖6所示）可以包括，如框201所示，生產鋰離子電池100的陽極101的矽基材料。
在一些方面，矽基材料包含矽奈米線且框201處的生產步驟包括經由刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積、沉澱和/或燒蝕製造矽奈米線。在一些情況下，矽奈米線的表面被官能基進一步官能化。官能基可以包括氧化物、氮化物基團、或其任何組合。矽奈米線可以進一步包括摻雜劑，如鎂（Mg）。
在一些方面，矽基材料包含封裝在碳中的矽且框201處的生產步驟包括用碳經由熱烘烤、物理氣相沉積、化學氣相沉積封裝矽。在本發明之實施方式中，框201處的待封裝的矽經由刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積、沉澱或燒蝕產生。
在一些方面，矽基材料包含與彈性聚合物混合的矽且框201處的生產步驟包括將彈性聚合物與矽本體材料混合以形成基本上均勻的矽和彈性聚合物的混合物。在一些情況下，彈性聚合物包括刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積、沉澱、燒蝕、或其任何組合。混合可以包括物理混合和加熱。
根據本發明之實施方式，如框202所示，方法200包括生產陰極110的鋰金屬氧化物。在一些方面，框202處的生產可以包括錳氧化物、鎳氧化物、鈷氧化物與碳酸鋰之間的固態反應。用於生產鋰金屬氧化物的固態反應可以在450°C至800°C的溫度下進行。生產的鋰金屬氧化物可以呈粉末形式。
根據本發明之實施方式，如框203所示，方法200包括將陽極101的矽基材料和/或碳基材料與導電劑和黏合劑混合以形成陽極混合物。如框204所示，方法200可以包括將鋰金屬氧化物與導電黏合劑混合以形成陰極混合物。該陽極混合物和/或該陰極混合物可以呈漿料形式。在一些方面，在框203處，以0.8至0.95範圍內的矽基材料與導電劑和黏合劑的重量比形成陽極混合物。在一些方面，在框204處，以0.88至0.97範圍內的鋰金屬氧化物與導電劑和黏合劑的重量比形成陰極混合物。在本發明之實施方式中，陽極混合物包含不小於30 wt.%的矽。導電劑的非限制性實例可以包括炭黑、乙炔黑、ketjan黑、Super P、碳奈米管、及其組合。黏合劑的非限制性實例可以包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、羧甲基纖維素/丁苯橡膠（CMC/SBR）、聚丙烯酸（PAA）、及其組合。
根據本發明之實施方式，如框205所示，方法200包括使用陽極混合物在第一金屬層103上塗覆陽極活性層102。如框206所示，方法200可以包括使用陰極混合物在第二金屬層113上塗覆陰極活性層112。在一些方面，在框205處，塗覆步驟可以包括在第一金屬層103上散佈陽極混合物。在框206處，塗覆步驟可以包括在第二金屬層113上散佈陰極混合物。框205處的塗覆步驟可以進一步包括壓縮第一金屬層103上的陽極混合物。在框206處，塗覆步驟可以包括壓縮第二金屬層113上的陰極混合物以調節其厚度。框205和206處的塗覆步驟可以進一步包括在壓縮步驟之後分別乾燥第一金屬層103上的陽極混合物以及乾燥第二金屬層113上的陰極混合物。框205和206處的塗覆步驟可以進一步還包括將經乾燥的陽極混合物連同第一金屬層103切割成所需的形狀和/或尺寸以及將經乾燥的陰極混合物連同第二金屬層113切割成所需的形狀和/或尺寸，從而分別形成陽極101和陰極110。在框205處產生的陽極101可以包括30至85 wt.%的矽、較佳的是40至85 wt.%的矽，以及在其之間的所有範圍和值，包括40至45 wt.%、45至50 wt.%、50至55 wt.%、55至60 wt.%、60至65 wt.%、65至70 wt.%、70至75 wt.%、75至80 wt.%、以及80至85 wt.%的範圍。
根據本發明之實施方式，如框207所示，方法200包括將陽極101、陰極110、隔膜120組裝在殼體121中以形成未完成的電池單元。在一些方面，框207處的組裝步驟包括層壓陽極101、隔膜120、陰極110以形成電極結構，將電極結構的陽極101和陰極110連接至相應的端子。在一些方面，安全裝置和/或通風口可以連接和/或佈置在電極結構和/或端子上以形成子組件。框207處的組裝可以包括將子組件插入到殼體121中並密封殼體121。在一些方面，在將殼體121密封後在殼體上留下至少一個開口。
根據本發明之實施方式，如框208所示，方法200包括向密封的殼體121中添加電解液以形成鋰離子電池100。在一些方面，框206處的添加電解液步驟可以包括將由框205獲得的密封的殼體121在真空中乾燥，藉由該至少一個開口在真空中將電解液填充到經乾燥的密封的殼體121中，以及將殼體121的該至少一個開口密封以形成鋰離子電池100。
儘管已經詳細描述了本發明及其優點，但是應當理解，在不脫離由所附申請專利範圍限定的本發明之精神和範圍之情況下，本文可以進行各種改變、替換和變更。此外，本申請之範圍不旨在限於說明書中描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟的具體實施方式。如熟悉該項技術者從本發明之揭露內容中將容易理解的，根據本發明可以利用目前存在或以後將要開發的、執行基本相同的功能或實現與本文所描述的相應實施方式基本相同的結果的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法、或步驟。因此，所附申請專利範圍旨在將這樣的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟包括在其範圍內。
此外，本申請之範圍不旨在限於說明書中描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟之具體實施方式。
100:鋰離子電池 101:陽極 102:陽極活性層 103:第一金屬層 110:陰極 112:陰極活性層 113:第二金屬層 120:隔膜 121:殼體 200:方法 201,202,203,204,205,206,207,208:框 R1 :總直徑 Ni:Ni濃度
為了更完整地理解本發明，現在參考以下結合附圖進行了描述，在附圖中：
[圖1]示出了根據本發明實施方式的鋰離子電池之示意圖；
[圖2]示出了可以用作根據本發明實施方式的鋰離子電池的陽極的基礎材料的矽奈米線之示意圖；
[圖3A和3B]示出了被配置為減輕當鋰離子電池充電後或充電時的體積膨脹的矽「蛋黃（egg-yolk）」模型之示意圖；圖3A示出了放電後「蛋黃」模型的矽材料；圖3B示出了充電後「蛋黃」模型之矽材料。
[圖4A和4B]分別示出了當放電時和當充電時，根據本發明實施方式的鋰離子電池的陽極的被石墨烯和/或聚合物封裝的矽顆粒（矽本體材料）的方面；
[圖5]示出了從核部分至殼部分的外表面具有鎳梯度的鋰金屬氧化物的核殼配置之示意圖；並且
[圖6]示出了用於生產根據本發明實施方式的鋰離子電池之方法之示意流程圖。
100:鋰離子電池
101:陽極
102:陽極活性層
103:第一金屬層
110:陰極
112:陰極活性層
113:第二金屬層
120:隔膜
121:殼體

Claims (31)

  1. 一種鋰離子電池（LiB），其包含： 陽極，該陽極包含大於30 wt.%的矽； 陰極，該陰極包含鋰金屬氧化物；以及 佈置在該陽極與該陰極之間的電解液； 其中該鋰離子電池被配置為具有至少800 Wh/L的能量密度。
  2. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池具有大於1.2的N : P比率，其中該N : P比率表示該陽極與該陰極的面積容量比率。
  3. 如請求項2所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池具有在1.2至4.0的範圍內的N : P比率。
  4. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該陽極包含31至85 wt.%的矽。
  5. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該陽極包含矽奈米線、封裝在碳中的矽、矽-石墨烯共混物、被配置為減輕矽在該陽極上的膨脹的矽和彈性聚合物混合物、或其任何組合。
  6. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該等矽奈米線具有在100至1000 nm的範圍內的平均直徑。
  7. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該等矽奈米線進一步包含摻雜劑，該摻雜劑包括錫、鍺、鐵、鋁、鎂、或其任何組合。
  8. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該封裝在碳中的矽具有在0.1至4的範圍內的矽與碳重量比。
  9. 如請求項5所述之鋰離子電池，該封裝在碳中的矽具有0.5至10 µm的平均直徑。
  10. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該彈性聚合物包含聚丙烯酸、羧甲基纖維素、或其任何組合。
  11. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該矽-石墨烯共混物具有在0.5至4的範圍內的矽與石墨烯重量比。
  12. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該陽極進一步包含塗覆在該矽上、或與該矽混合的碳基材料。
  13. 如請求項12所述之鋰離子電池，其中，該碳基材料包含石墨、石墨烯、或其他碳基材料。
  14. 如請求項12所述之鋰離子電池，其中，與該碳基材料混合的該矽具有在10至30 µm的範圍內的厚度。
  15. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該陽極的矽與次級材料混合，該次級材料包含錫、銻、鍺、或其任何組合。
  16. 如請求項15所述之鋰離子電池，其中，該次級材料與矽以在100 : 1至1 : 100的範圍內的矽與次級材料重量比混合。
  17. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該陽極被配置為具有在3400-4200 mAh/g之間的容量/單位體積。
  18. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該鋰金屬氧化物包含鎳。
  19. 如請求項18所述之鋰離子電池，其中，該鋰金屬氧化物具有式Lia Nix Ay Bz O2 ，其中a ≥ 1，x ≥ 0.5，y + z = 1 - x。
  20. 如請求項19所述之鋰離子電池，其中，A選自由Mn、Co、Ni、Al、及其組合組成之群組，並且B選自由Co、Mn、Ni、Al、及其組合組成之群組。
  21. 如請求項19所述之鋰離子電池，其中，x : y : z的比率選自由6 : 2 : 2、8 : 1 : 1、以及9 : 0.5 : 0.5組成之群組。
  22. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該陰極的鋰金屬氧化物呈核殼梯度結構，其中Ni的濃度從該核殼梯度結構的外殼至核增加。
  23. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該電解液係不可燃的。
  24. 如請求項23所述之鋰離子電池，其中，該不可燃的電解液包含離子液體。
  25. 如請求項24所述之鋰離子電池，其中，該離子液體包含陽離子和陰離子，其中該陽離子包括咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯啶鎓、或其任何組合，並且該陰離子包括溴化物，氯化物，碘化物，磷酸鹽、BF4 - 、PF6 - 、TFSI- 、FSI- 、或其任何組合。
  26. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池具有大於250 Wh/kg的能量密度。
  27. 如請求項26所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池具有在250至450 Wh/kg的範圍內的能量密度。
  28. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池呈圓柱形形式、棱柱形形式、或袋狀形式。
  29. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池被配置為在21700圓柱形電池單元形式中具有6 Ah容量。
  30. 如請求項29所述之鋰離子電池，其中，該呈6 Ah 21700電池單元形式的鋰離子電池被配置為具有約30 A連續放電倍率性能和持續2秒的100 A脈衝功率性能。
  31. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該鋰離子電池被配置為對電動工具供應電力。
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