用于硅受控使用的硅占主导的锂离子电池的系统和方法可以包括阴极、电解质和阳极，其中所述阳极具有包含大于50％的硅的活性材料。可以通过将硅锂化而不锂化碳来对所述电池充电。所述活性材料可以包含大于70％的硅。在所述电池放电期间，所述阳极的电压可以保持高于硅可以被锂化的最小电压。所述阳极可以具有大于3000mAh/g的比容量。所述电池可以具有大于1000mAh/g的比容量。所述阳极可以具有大于90％的初始库仑效率并且可以不含聚合物粘合剂。所述电池可以在10C倍率或更高倍率下充电。所述电池可以在低于冰点的温度下充电而没有锂析出。所述电解质可以包括液体、固体或凝胶。固体或凝胶。固体或凝胶。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于硅受控使用的硅占主导的锂离子电池的方法及系统
[0001]相关申请的交叉引用/援引并入
[0002]本申请要求于2019年10月7日提交的第16/594,508号美国专利申请的优先权和权益，所述美国专利申请通过援引整体并入本文。
[0003]本公开内容的方面涉及能量产生和存储。更具体地，本公开内容的某些实施方案涉及用于硅受控使用的硅占主导的锂离子电池的方法和系统。
技术介绍
[0004]用于电池阳极的常规方法可能是昂贵的、笨重的和/或低效的，例如，它们可能实施起来复杂和/或耗时，并且可能限制电池使用寿命。
[0005]通过将这种系统与如本申请的其余部分中参考附图所阐述的本公开内容的一些方面进行比较，常规和传统方法的其它限制和缺点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
技术实现思路
[0006]用于硅受控使用的硅占主导的锂离子电池的系统和/或方法，大体上如至少一个图所示和/或如关于至少一个图所述，如权利要求中更完整地阐述。
[0007]根据以下描述和附图，将更全面地理解本公开内容的这些和其它优点、方面和新特征，以及其所示实施方案的细节。
附图说明
[0008]图1是根据本公开内容的示例性实施方案的锂离子电池的图。
[0009]图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的锂离子电池充电期间的阳极、阴极和电池电压。
[0010]图3例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有锂析出和枝晶的锂离子电池。
[0011]图4例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅添加石墨阳极的充电期间的电压水平。
[0012]图5A和图5B例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅添加阳极和硅膜阳极的锂化和去锂化期间的机械过程。
[0013]图6例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅膜阳极的充电期间的电压水平。
[0014]图7例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅占主导的阳极的阳极半电池第一次循环电压分布。
[0015]图8例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有硅占主导的阳极的电池的电
极和电池电压。
[0016]图9例示出根据本公开内容的示例性实施方案的石墨电池和硅占主导的电池的充电倍率。
[0017]图10例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅占主导的电池在低温下的充电持续时间。
[0018]图11例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅占主导的电池对于不同充电温度的容量保持率。
[0019]图12例示出根据本公开内容的示例性实施方案的用于硅占主导的阳极的示例性锂化和去锂化过程。
[0020]图13例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有硅占主导的阳极的锂离子电池的电压分布曲线。
[0021]图14例示出根据本公开内容的示例性实施方案的硅占主导的阳极电池使用过程。
具体实施方式
[0022]图1是根据本公开内容的示例性实施方案的锂离子电池的图。参考图1，示出了电池100，所述电池100包括夹置在阳极101与阴极105之间的隔板103，以及集流器107A和107B。还示出了联接至电池100的负载109，例示出当电池100处于放电模式时的情况。在本公开内容中，术语“电池”可以用于指单个电化学电池，形成为模块的多个电化学电池和/或形成为组件的多个模块。
[0023]便携式电子装置的发展和运输的电气化驱动了对高性能电化学能量存储的需求。相对于其它可充电电池化学品，小规模(<100Wh)至大规模(>10KWh)装置由于锂离子(Li离子)电池的高性能而主要使用锂离子电池。
[0024]阳极101和阴极105，连同集流器107A和107B，可以包括电极，所述电极可以包括在电解质材料内或容纳电解质材料的板或膜，其中板可以提供用于容纳电解质的物理屏障以及与外部结构的导电接触。在其它实施方案中，阳极/阴极板浸没在电解质中，同时外壳提供电解质容纳。阳极101和阴极电联接至集流器107A和107B，集流器107A和107B包含金属或其它导电材料用于提供与电极的电接触以及在形成电极时对活性材料的物理支撑。
[0025]图1中所示的配置例示出处于放电模式的电池100，而在充电配置中，可以用充电器代替负载107以逆转该过程。在一类电池中，隔板103通常是由例如电绝缘聚合物制成的膜材料，这防止电子从阳极101流到阴极105，或者反之亦然，同时是足够多孔的以允许离子穿过隔板103。通常，隔板103、阴极105和阳极101的材料分别形成为片、膜或活性材料涂覆的箔。将阴极、隔板和阳极的片依次堆叠或轧制，使隔板103将阴极105与阳极101分隔，以形成电池100。在一些实施方案中，隔板103是片并且通常在其制造中采用卷绕方法和堆叠。在这些方法中，阳极、阴极和集流器(例如，电极)可以包括膜。
[0026]在示例性情形中，电池100可以包含固体、液体或凝胶电解质。隔板103优选不溶于典型的电池电解质，例如可以包含以下的组合物：碳酸亚乙酯(EC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)等以及溶解的LiBF4、LiAsF6、LiPF6和LiClO4等。隔板103可以用液体或凝胶电解质润湿或浸泡。此外，在示例性实施方案中，隔板103在低于约100℃至120℃不熔化，并且表现出足够的机械性质用于
电池应用。在操作中，电池可以经历阳极和/或阴极的膨胀和收缩。在示例性实施方案中，隔板103可以膨胀和收缩至少约5％至10％而不失效，并且还可以是柔性的。
[0027]隔板103可以是足够多孔的，使得一旦用例如液体或凝胶电解质润湿，离子就可以穿过隔板。替代地(或额外地)，即便没有显著的孔隙度，隔板也可以通过胶凝或其它方法吸收电解质。隔板103的孔隙度通常也不会太多孔以致允许阳极101和阴极105通过隔板103传递电子。
[0028]阳极101和阴极105包括用于电池100的电极，提供与用于在充电和放电状态下传递电荷的装置的电连接。例如，阳极101可以包含硅、碳或这些材料的组合。典型的阳极电极包含碳材料，其包括诸如铜片的集流器。碳是常用的，因为碳具有优异的电化学性质并且还是导电的。目前在可充电锂离子电池中使用的阳极通常具有约200毫安小时/克的比容量。用于大多数锂离子电池阳极的活性材料石墨具有372毫安小时每克(mAh/g)的理论能量密度。相比之下，硅具有4200mAh/g的高的理论容量。为了增加锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度，硅可以用作阴极或阳极的活性材料。硅阳极可以由例如具有超过50％的硅的硅复合物形成。在另一个实例中，阳极可以包含超过70％的硅，并且可以包含自立的、单片的、单颗粒的膜，而没有任何粘合剂材料。
[0029]例如，阳极101和阴极105存储用于分离电荷的离子，例如锂。在该实例中，电解质在放电模式下将带正电的锂离子从阳极101携带到阴极105，例如如本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电池，所述电池包括：阴极、电解质和阳极，所述阳极具有包含大于50％的硅的活性材料，并且其中通过将硅锂化同时将所述活性材料中少于20％的碳锂化来对所述电池充电。2.如权利要求1所述的电池，其中所述活性材料包含大于70％的硅。3.如权利要求1所述的电池，其中在所述电池放电期间，所述阳极的电压保持高于硅可以被锂化的最小电压。4.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极具有大于3000mAh/g的比容量。5.如权利要求1所述的电池，其中所述电池具有大于1000mAh/g的比容量。6.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极具有大于90％的初始库仑效率。7.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性材料不含聚合物粘合剂。8.如权利要求1所述的电池，其中所述电池可操作地以10C倍率或更高倍率充电，同时保持至少50％的1C倍率充电保持率至80％的所述电池的原始容量。9.如权利要求1所述的电池，其中所述电池可以在低于冰点的温度下充电而没有锂析出。10.如权利要求1所述的电池，其中所述电解质包括液体、固体或凝胶。11.形成电池的方法，所述方法包括：...
【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明，
申请(专利权)人：新强能电池公司，
类型：发明
国别省市：
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