稳定的硅-离子液体界面锂离子电池组制造技术

本发明专利技术包括一种组成物，其包含包括在电极中的基本上所有nSi

【技术实现步骤摘要】
稳定的硅
‑
离子液体界面锂离子电池组
[0001]本申请是申请日为2015年10月30日，专利技术名称为“稳定的硅
‑
离子液体界面锂离子电池组
”ꢀ
的第201580071948.9号中国专利技术专利申请的分案申请。
[0002]优先权
[0003]本申请要求2014年10月30日提交的申请号为62/072,957的美国专利申请的优先权。 该申请的全部内容通过引用纳入本文。
[0004][0005]

[0006]本专利技术涉及能量存储装置。更具体地，本专利技术描述了锂离子电池。

技术介绍

[0007]硅在锂化期间的体积膨胀使其作为电池材料的用途存在问题。商业化的石墨电极在锂 嵌入期间膨胀大约10
‑
13％，而硅的膨胀达到近300％，导致固体
‑
电解质界面的结构劣化和 不稳定。这种不稳定最终将使电池寿命缩短至不足的水平，导致传导通道断裂，活性材料绝 缘，连续的固体
‑
电解质界面重组(reformation)，以及机械上不稳定的固体
‑
电解质界面。
[0008]电池充电期间，通过电解质的还原分解，在阳极表面上形成固体
‑
电解质界面层。由于 锂化期间的膨胀导致界面层破裂，硅阳极因每个循环都必须重组的动态固体
‑
电解质界面层 而受到损害。固体电解质界面层的形成消耗Li
+
并在每个循环中耗尽电解质。与利用具有Li
+
的有效无限供应的Li金属反电极的半电池相反，全电池具有有限的由阴极提供的Li
+
。结果 是，固体
‑
电解质界面层的连续断裂和重组迅速破坏了电池的循环性能。
[0009]为增强高容量阳极材料上的SEI形成并改进半电池CE，已对替代性电解质组合物和活 性材料表面处理进行了研究。尽管做出了这些努力，但在整个循环中实现的CE仍然不足以 用于持久的基于Si的全电池，或者用于制造全电池的方法将大量过量的Li
+
(＞200％)引入 系统中，这将掩盖(camouflage)其真实性能。为了设计下一代电解质材料，室温离子液体(RTIL或IL)是令人感兴趣的，原因是其低挥发性、可忽略的蒸汽压力、热稳定性、高电 压稳定性窗口和足够的离子电导率。RTIL，特别是由吡咯烷鎓(PYR
1n+
)或1
‑
乙基
‑3‑
甲基
‑ꢀ
咪唑鎓(EMIM
+
)阳离子和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(TFSI
‑
)或双(氟磺酰基)酰亚胺 (FSI
‑
)阴离子组成的那些，对包括Si在内的流性(popular)的负极材料是阴极稳定的。对 这些材料的电化学性质和界面化学性质的清楚的了解还没有开发出来。迄今为止，依据本领 域已发表的研究薄膜型电极中的Si
‑
RTIL系统的工作，很少有涉及研究RTIL电解质和基于 Si的纳米复合电极之间相容性的工作。
[0010]由于这些和其他原因，需要能够以低成本提供高能量密度和长循环寿命的电池组材料。
[0011]附图简要说明
[0012]图1(A)显示了PYR
13
FSI(1.2M LiFSI)和EC/DEC(1M LiPF6)中nSi
‑
cPAN电极的 容量和库仑效率。
[0013]图1(B)显示了PYR
13
TFSI(0.6M LiTFSI)和EMIMFSI(1.2M LiFSI)电解质系统中 nSi
‑
cPAN电极的容量和库仑效率。
[0014]图2(A)、2(B)、2(C)、2(D)、2(E)、2(F)、2(G)和2(H)显示了Li
13
Si4表面上分解机制的示意图。
[0015]图3(A)、3(B)、3(C)、3(D)、3(E)、3(F)和3(G)显示了Si
‑
PYR
13
FSI 系统中固体
‑
电解质界面组合物的微观图像。
[0016]图4(A)和4(B)显示了在第一充电
‑
放电循环期间nSi
‑
cPAN电极上的质量变化。
[0017]图5(A)、5(B)、5(C)、5(D)、5(E)、5(F)、5(G)和5(H)显示了阳 极的微结构图像。
[0018]图6(A)显示了装配了PYR
13
FSI(1.2M LiFSI)和常规EC/DEC(1M LiPF6)电解质的 nSi
‑
PAN/L333全电池的电荷容量和库仑效率。
[0019]图6(B)显示了nSi
‑
cPAN/PYR
13
FSI/L333全电池比率研究和长期循环的结果。
[0020]图6(C)显示了商业化18650电池的模型，显示由于相对较薄的nSi
‑
cPAN电极而引入 更多的电活性材料的机会。
[0021]图7(A)显示了具有nSi
‑
cPAN的EC/DEC(1M LiPF6)的电压分布。
[0022]图7(B)显示了具有nSi
‑
cPAN的PYR
13
FSI(1.2M LiFSI)的电压分布。
[0023]图7(C)显示了具有nSi
‑
cPAN的PYR
13
TFSI(0.6M LiTFSI)的电压分布。
[0024]图7(D)显示了具有nSi
‑
cPAN的EMIMFSI(1.2M LiFSI)的电压分布。
[0025]图8(A)、8(B)、8(C)和8(D)显示FSI
‑
和TFSI
‑
阴离子的单电子还原。
[0026]图9(A)、9(B)、9(C)、9(D)和9(E)图示了循环的常规基于Si电极的固体
‑ꢀ
电解质界面组合物的横截面。
[0027]图10(A)和10(B)显示了在第一充电
‑
放电循环期间不同电极的每个电子的质量变化。
[0028]图11显示了具有PYR
13
FSI的常规基于Si电极对比EC/DEC电解质系统的半电池电化 学性能。
[0029]图12显示了全电池的高温电化学性能。
[0030]图13(A)显示了电极的容量和库仑效率。
[0031]图13(B)显示了全电池的容量和库仑效率。
[0032]图14显示了包括在电极上形成的膜的组成物的示意图，其中膜包含氟、氧、硫、碳和 锂。
[0033]图15显示了基底的示意图，其包含：包括纳米硅的活性材料、结合活性材料并导电的 聚合物以及与聚合物和活性材料接触的电解质。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电能存储装置，包括：电极系统，所述电极系统包括：包含多个纳米硅颗粒的活性材料；用于结合所述活性材料并传导电流和锂离子的环化聚丙烯腈聚合物；在电极系统上形成的稳定的固体电解质界面膜(SEI)，所述稳定的固体电解质界面膜包含氟、氧、硫、碳和锂；第二电极；以及用于与所述电极系统和所述第二电极接触的室温离子液体电解质，其中所述室温离子液体电解质包括选自以下组的阳离子物质：吡咯烷鎓和1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世熙，杰瑞，
申请(专利权)人：科罗拉多州立大学董事会法人团体，
类型：发明
国别省市：