用于可再充电的锂离子电池的N-氧化物氧化还原梭制造技术

本发明专利技术公开了可再充电的锂离子电池（１０），其包含：正极（１２）；负极（１４）；电荷携带电解质，该电解质包含电荷携带介质和锂盐；和溶于或可溶于电解质中的脂环族Ｎ－氧化物化合物。所述Ｎ－氧化物化合物具有的氧化电位高于正极的再充电电位，并作为可循环的氧化还原化学梭为电池提供过充电保护。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及可再充电的锂离子电池的过充电保护。
技术介绍
正确设计和构造的可再充电的锂离子电池可显示出优秀的充电-放电循环寿命、极少或没有记忆效果、以及高特异性和容积性的能量。 然而，锂离子电池的确具有一些缺点，包括不能在不降低循环寿命的情形下耐受再充电电位超过制造商推荐的充电电位端值；电池再充电 电位超过推荐充电电位端值时的过热、着火或爆炸危险；和难以制备 充分耐受电学和机械滥用的大电池供消费者应用。单个和互连(例如串 联)锂离子电池通常引入了充电控制电子装置，以防止个体电池超过推 荐的充电电位端值。这种线路增加了成本和复杂性，减少了锂离子电 池和电池组在低成本大规模市场电学和电子装置如手电筒、收音机、 CD播放器等中的用途。作为替代，这些低成本装置通常由不可再充电 的电池组如碱性电池供应能量。已经提出各种化学材料来为可再充电的锂离子电池提供过充电保 护。称为"氧化还原梭(redox shuttle)"或"梭"的化学材料在理论上可 以提供可氧化和可还原的电荷运输物质， 一旦充电电位达到所需值， 该物质就可以在负极和正极之间重复运输电荷。还提出了作为保险丝 或支路以提供单次或有限次数电池过充电保护的材料。出于各种目的，已经将N-氧化物化合物用于可再充电的锂离子电 池。涉及所述用途的参考文献包括美国专利申请公开US 2003/0044681 号(Morioka等人)、US 2003/0096165 Al号(Nakahara等人)、US 2004/0197664 Al号(Iriyama等人)和US 2004/0248004 Al(Iwasa等人)；和日本已公开专利申请2000-235867号(Asahi Denka Kogyo KK)、 2000-268861号(Sanyo Electric Co.， Ltd.)、 2001-332296号(Japan Storage Battery Co., Ltd.)禾tl 2003-132891号(NEC Corp.)。涉及含氮化合物在可再充电锂离子电池中的用途的其它参考文献 包括美国专利6,544,691 Bl号(Guidotti)以及美国专利申请公开US 2003/0099886 Al号(Choy等人'886)和US 2003/0129499 Al号(Choy等 人'499)。专利技术概述在一方面，本专利技术提供了可再充电的锂离子电池，其包括(a) 具有再充电电位的正极；(b) 负极；(C)包括电荷携带介质和锂盐的电荷携带电解质；和(d)可循环的氧化还原化学梭，其包括溶于或可溶于电解质中的脂环族N-氧化物化合物，并且所述氧化还原化学梭的氧化电位高于所述正极的再充电电位。在另一方面，本专利技术提供了制造可再充电的锂离子密封电池的方 法，该方法包括将如下材料以任意顺序组装并封装到合适的壳内的步 骤(a) 具有再充电电位的正极；(b) 负极；(c) 包括电荷携带介质和锂盐的电荷携带电解质；和(d) 可循环的氧化还原化学梭，其包括溶于或可溶于电解质中的脂 环族N-氧化物化合物，并且所述氧化还原化学梭的氧化电位高于所述 正极的再充电电位。在还一方面，本专利技术提供了对锂离子电池再充电、同时化学限制 由于过充电所致的电池损坏的方法，该方法包括穿过可再充电锂离子电池的正极和负极供应充电电流，该电池包含电荷携带电解质。所述 电荷携带电解质包括电荷携带介质、锂盐和可循环的氧化还原化学梭， 该氧化还原化学梭包括溶于电解质中的脂环族N-氧化物化合物，并且 所述氧化还原化学梭的氧化电位高于所述正极的再充电电位。从下面的详述中将明白本专利技术的这些和其它方面。然而，在任意 情况下，都不应该将上面的概述理解为对所主张的主题的限制，该主 题仅由所附权利要求书限定，所述权利要求书可以在专利申请处理过 程中被修改。附图简述附图说明图1是电化学电池的展开透视示意图。图2和图3分别表示在实施例1和实施例2电池的充电-放电试验中，两个时间跨度的连续充电-放电循环过程中的电池电位。图4至图12分别表示在实施例3至实施例11电池的充电-放电试验中，四个时间跨度的连续充电-放电循环过程中的电池电位。图13A表示在实施例12电池的充电-放电试验中，四个时间跨度的连续充电-放电循环过程中的电池电位。图13B表示实施例12电池的正极比容量作为循环次数的函数。 图13C表示实施例12电池的电池电位作为正极比容量的函数。 图14A表示在实施例13电池的充电-放电试验中，四个时间跨度的连续充电-放电循环过程中的电池电位。图14B表示实施例13电池的正极比容量作为循环次数的函数。 图14C表示实施例13电池的电池电位作为正极比容量的函数。 图15表示在实施例14电池的充电-放电试验中，四个时间跨度的连续充电-放电循环过程中的电池电位。图16表示比较例8电池充电试验的电池电位。专利技术详述短语"正极"指一对可再充电的锂离子电池电极中的一个，其在正常环境下和当电池完全充电时将具有最高的电位。本文中保留这个 术语，用以指代在所有电池运行条件下的相同物理电极，即使所述电 极被临时(例如由于电池过度放电)驱动而具有或显示出低于其它电极 (负极)的电位。短语"负极"指一对可再充电的锂离子电子电极中的一个，其在 正常环境下和当电池完全充电时将具有最低的电位。本文中保留这个 术语，用以指代在所有电池运行条件下的相同物理电极，即使所述电 极被临时(例如由于电池过度放电)驱动而具有或显示出高于其它电极 (正极)的电位。短语"氧化还原化学梭"指电化学可逆的部分，其在将锂离子电 池充电的过程中能够在正极被氧化，迁移到负极，在负极被还原以再 形成未氧化的(或较少氧化的)梭物质，并迁移回正极。当结合正极使用时，短语"再充电电位"指通过如下方法相对于 Li/Li+测量的Eep值构造包含正极、锂金属负极和电解质但不含氧化 还原化学梭的电池，运行充电/放电循环试验，并观察正极在第一放电循环中去锂化到锂水平相当于可用再充电电池容量的至少90%时的电 位。对于一些正极(例如LiFeP04)，所述锂水平可以相当于大约全部去 锂化(例如到达LiQFeP04)。对其它正极(例如具有层状含锂结构的一些 电极)，所述锂水平可以相当于部分去锂化。当结合氧化还原化学梭使用时，词语"可循环的"指如下材料， 当暴露于足够氧化该材料(例如从中性到阳离子形式，或从较少氧化的 状态到较多氧化的状态)的充电电压时和处于相当于100%电池容量的 过充电电荷流时，该材料将为包含所选正极的电池提供至少两个过充 电保护循环。术语"相"指在液体体系中存在的或者能够形成的均匀液体部分。术语"多个相"是指有多于一个相存在于多相液体体系中。当结合氧 化还原化学梭和电解质的混合物使用时，术语"溶解的"和"可溶的" 指当梭存在于或被添加到电解质中时，所述梭形成或将形成包含迁移 电荷携带部分的单相溶液，所述电荷携带部分的量足够在充电电流速 率足以在IO小时或更少时间内充满包含所选正极、负极和电解质的锂 离子电池时提供过充电保护。当结合氧化还原化学梭使用时，短语"氧化电位"指Eev值。可以 如下测量Ew将所述梭溶于所选的电解质中，使用循环伏安法和铂或玻璃碳工作电极、铜反电极和先前用于参比Li/Li+的非水Ag/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可再充电的锂离子电池，其包括：　（ａ）具有再充电电位的正极；　（ｂ）负极；　（ｃ）包括电荷携带介质和锂盐的电荷携带电解质；和　（ｄ）可循环的氧化还原化学梭，其包括溶于或可溶于电解质中的脂环族Ｎ－氧化物化合物，并且 所述氧化还原化学梭的氧化电位高于所述正极的再充电电位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里R达恩，克劳迪娅布尔梅斯特，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]