锂离子一次袋式电池制造技术

提供了一种袋式电池，包括电极组件和壳体，电极组件被密封和容纳在壳体中；电极组件包括片状阴极、片状隔膜和片状阳极的堆叠结构；片状阴极包括置于集流体上的正电极活性材料；片状阳极为薄导电片，在放电期间锂金属可逆地沉积在其表面上；片状阳极由除锂之外的导电材料制成，并且在电池充电之前具有基本上不含锂金属的表面。袋式电池设计灵活且轻量，并提供高功率密度，使其成为许多应用中常规锂离子一次电池和热电池的合适替代品。通过施加外部压力可以进一步提高功率。可以调整添加剂和形成条件以形成固态

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂离子一次袋式电池


[0001]本公开提供了一种具有基本无锂设计的锂离子一次袋式电池。

技术介绍

[0002]在非水性溶剂中的各种类型的锂电化学电池在本领域中是已知的。一次固态阴极锂电池通常包括锂阳极、由溶解在一种或多种有机溶剂中的锂盐制备的电解质和含有电化学活性材料(如过渡金属氧化物、金属硫化物、氟化碳化合物)的阴极。
[0003]这种锂电池的缺点是锂金属在空气中的高反应性。锂容易与空气中的水蒸气发生反应。因此，锂阳极必须在完全干燥的气氛中制备。金属锂阳极的制备可能是繁琐、昂贵的，并且也可能是危险的。
[0004]一次锂电池的另一个缺点是在需要薄的金属锂阳极的高功率的一次锂电池设计中遇到的。这种高功率电池的一个普遍问题是金属锂的抗拉强度低。因此，金属锂阳极的制备可能需要在阳极中使用过量的锂来增加阳极中锂的厚度(以提供更好的机械强度)，或者在阳极中引入诸如金属或金属化的支撑箔或支撑网的导电载体(例如，铜或镍箔或网或镀有金或铬等的另一种金属，可用于增加阳极的机械强度)或引入另一种合适的导电载体等。使用这种导电载体(将锂电镀或沉积或附着在其上)可以适当地增加阳极的机械强度。
[0005]第一种方法(过量锂)显著降低了电池可达到的实际能量密度(每体积单位的可用能量)。第二种方法(使用薄的导电载体)可能使阳极制造过程明显复杂化，因为可能必须使用真空沉积法或其它类似的制造方法来在导电载体上沉积金属锂薄层。这种技术对于大规模生产过程是低效的，可能需要昂贵的设备，并且可能必须间歇进行。
[0006]一种用于常规一次锂电池的方法是使用阴极材料(如过渡金属氧化物(或过渡金属硫化物))结合碳质阳极，所述碳质阳极基于例如能够嵌入锂离子的石墨或石油焦。在这种方法中，锂离子必须通过外部施加的充电电流从锂化阴极中去除，并嵌入碳质阳极中。
[0007]这种方法虽然增加了电池的工作电压，但有两个主要缺点。第一个缺点是所得电池的自放电率非常高(通常约为每月电池电量的5％)。虽然这种高自放电率值对于可充电锂电池来说在商业上是可接受的，但是对于大多数一次锂电池来说是不可接受的，因为对于一次锂电池来说，通常要求每月的电池电量损耗最高为0.1％。第二个缺点是与一次锂电池相比，它们通常具有低能量密度。这种低能量密度的主要原因是与锂金属阳极相比，碳质阳极的理论容量值低。
[0008]对于可充电电化学锂电池，各种类型的非水性可充电锂电池在本领域中是众所周知的。可充电锂电池，例如专利号4,828,834的美国专利(美国'834专利)(出于所有目的，该专利的全文通过引用并入本文)中记载的电池，包括高电活性金属锂基阳极、锂盐、有机溶剂和电化学活性阴极。在这种电池中，在放电过程中，锂离子从阳极穿过液态电解质并嵌入阴极。在电池充电期间，离子的流动是反向的。锂离子从阴极穿过电解质，以金属锂原子的形式沉积在锂阳极上。通常，在电池充电期间沉积或镀覆在阳极上的锂层的质量可能不足以进行多次充电放电循环。这种锂沉积往往会产生被称为枝晶的高表面积镀层形式。这种
枝晶通常在电池循环时继续增长。不幸的是，锂枝晶的形成限制了可允许的充电/放电循环次数，因为最终枝晶可能接触阴极，从而导致电池失效。因此，可充电电池中枝晶锂的形成可能使这种电池本身不太稳定，因为如果发生这种电池短路，电池可能会爆炸。此外，阳极表面上的高表面积枝晶锂倾向于与电解质反应，形成电绝缘的非活性物质。结果，电池中剩余的可用锂的量减少，降低了电池实际可达到的能量密度。
[0009]通过在电池中包含大量过量的锂金属，可以部分克服充电半周期内由低质量的锂镀层导致的低效率。然而，在电池中使用过量的锂增加了阳极的厚度，因此不希望地降低了电池实际可达到的能量密度。此外，使用大量的锂本身就更危险，降低了电池的整体安全性，并且由于锂是相对昂贵的金属，增加了电池的成本。
[0010]用于提高充电/放电循环次数的不同方法是使用具有碳质阳极的可充电电池，如专利号为4,423,125的美国专利('125专利)(出于所有目的，其全文通过引用的方式并入本文)和专利号为5,028,500的美国专利('500专利)(出于所有目的，其全文通过引用的方式并入本文)中所记载的。这些电池包括碳质阳极，该碳质阳极包括合适的碳形式，例如嵌入锂离子的焦炭或石墨。然而，与电解质的副反应可能导致阳极中的锂损耗，并可能最终导致电池失效。换句话说，难以在这种现有技术的锂电池的碳质阳极上沉积高活性锂金属。
[0011]在专利号为5,576,119的美国专利('119专利)(出于所有目的，其全文通过引用的方式并入本文)中记载了另一种提高可充电锂电池的能量密度至超过通过插入碳获得的能量的方法。'119专利公开了一种可充电电化学电池，其具有包括导电材料(如铜或镍)薄层的阳极、包括锂化金属氧化物的阴极和设置在其间的隔膜。锂在阳极上的沉积是在电池首次充电期间原位完成的。'119专利公开了电池的结构为常规圆柱形电池设计的形式。
[0012]公开号为2006/0068291的美国申请('291申请)(出于所有目的，其全文通过引用的方式并入本文)公开了对'119专利中记载的圆柱形电池设计的变型，其中阳极包括能够可逆地将锂离子结合到其中并在表面上结合锂金属的碳质材料薄层。
[0013]例如，在'119专利中公开的圆柱形电池设计具有某些优点，例如良好的循环能力和长保质命，而且它很经济。然而，圆柱形电池设计具有某些缺点或不足，例如很重且由于空间空洞其包装密度低。此外，如下所述，难以将外部压力施加在圆柱形电池上。
[0014]本领域已知的另一种电池设计为袋式电池。袋式电池通常不使用例如相对刚性的金属圆柱体，而是包括封装和密封电极组件的多层膜(例如金属箔和至少一层内层聚合物膜)，该电极组件包括堆叠和/或卷绕的阴极、隔膜和阳极。此外，导电极耳通常连接到电极组件的各个电极，并以完全密封的方式延伸到袋式电池的外部。
[0015]与圆柱形电池相比，袋式电池为电池设计提供了一种灵活、轻量的解决方案。此外，袋式电池可以输送高负载电流，并具有高封装效率。
[0016]在本领域中已知有许多不同的袋式电池设计，因为不存在标准化的袋式电池。例如，以下美国专利和出版物公开了一种袋式电池的结构：专利号为7,629,077的美国专利('077专利)(在图1
‑
5中公开了具有褶皱的堆叠电极组件)、公开号为2009/0136833的美国申请('833申请)(公开了用于封装堆叠电极组件的袋式电池的聚合物基的壳体膜)、公开号为2018/0309092的美国申请('092申请)(公开了一种生产袋式电池的方法，例如减少密封和包裹叠层电极组件的层压壳体薄膜的折痕)、公开号为2018/0294510的美国申请('510申请)(公开了一种电池模块，包括多个电连接的袋式电池和用于向袋式电池施加外部压力的
外壳)、公开号为2013/0017437的美国申请('437申请)(公开了一种袋式电池，包括封装在壳体中的堆叠电极组件)，以及公开号为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种袋式电池，包括：电极组件；和多层壳体，所述电极组件被密封和容纳在所述多层壳体中，其中所述电极组件通过分别叠加片状阴极、片状隔膜和片状阳极以形成堆叠结构而形成，所述堆叠结构任选地自身折叠和/或卷绕，所述电极组件包括电连接到所述片状阴极的阴极极耳和电连接到所述片状阳极的阳极极耳，电极极耳和阳极极耳从壳体内部延伸到壳体外部，所述片状阴极包括置于集流体上的正电极活性材料，所述片状阳极主要由除锂以外的导电金属组成，和所述电极组件包括与所述片状阴极和片状阳极接触的电解质。2.根据权利要求1所述的袋式电池，其中所述片状阳极包括在所述导电金属表面上的碳质层，所述碳质层的厚度为大于0至50μm。3.根据权利要求2所述的袋式电池，其中所述碳质层包括碳同素异形体或其衍生物。4.根据权利要求1所述的袋式电池，其中所述电解质包括非水性溶剂和锂盐。5.根据权利要求1所述的袋式电池，其中所述隔膜和所述电解质为包括固态电解质的单一结构。6.根据权利要求1所述的袋式电池，其中所述导电金属选自铜、镍和不锈钢。7.根据权利要求6所述的袋式电池，其中所述碳质层涂覆在所述导电金属的表面上，所述碳质层的厚度为大于0至50μm。8.根据权利要求1所述的袋式电池，还包括用于在所述袋式电池工作期间，在所述堆叠结构的堆叠方向上向所述壳体的表面施加外部压力的装置。9.根据权利要求1所述的袋式电池，其中所述电解质包括非水性溶剂、锂盐和用于形成固态电解质界面(SEI)的添加剂，以及当所述电解质的总重量被视为100％时，所述添加剂的含量为0.5重量％至10重量％。10.根据权利要求1所述的袋式电池，其中负电极活性材料为下式(A)至(E)中之一的化合物或其混合物：Li
1+x
M1
a
X
b
PO4式(A)；Li
...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：帅福得美国有限公司，
类型：发明
国别省市：