用于无序碳阳极的性能增强添加剂制造技术

本发明专利技术提供一种用于无序碳阳极的性能增强添加剂，描述了用于改善电化学电池性能的添加剂和方法。特别地，所述添加剂和方法可改善具有无序碳阳极的电化学电池的性能。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及用于改善电化学电池性能的添加剂和方法，更具体地，涉及用于改善具有无序碳阳极的电化学电池的性能的添加剂和方法。
技术介绍
在当前的实践中，使用以足够的浓度存在的阻燃添加剂来降低非水性电解质的可燃性，例如通过防止或抑制原本易燃的电解质的燃烧或者通过改善电解质的自熄特征。
技术实现思路
根据本公开的一个实施方案，提供一种锂基电化学电池，其包含具有无序碳材料的阳极(所述阳极具有充电容量和放电容量)、阴极、与所述阳极和所述阴极连通的电解质以及通过增加所述阳极的所述充电容量和所述放电容量中的至少之一来改善所述阳极性能的阻燃添加剂。根据本公开的另一实施方案，提供用于制造具有阳极、阴极和电解质的锂基电化学电池的方法。所述方法包括以下步骤:提供具有活性材料的所述阳极，所述活性材料包括无序碳材料，所述阳极具有充电容量和放电容量；和在所述电化学电池中包括阻燃添加剂以改善所述阳极的所述充电容量和所述放电容量中的至少之一。附图说明本公开的上述和其他特征和优点以及实现它们的方式通过参考下述本专利技术的实施方案的以下描述和附图将更明显并且将更好地理解本专利技术本身，其中:图1是具有负电极和正电极的锂基电化学电池的示意图；图2A是在图1的负电极上使用的无序硬质碳材料的示意图；图2B是在图1的负电极上使用的无序软质碳材料的示意图；图2C是在图1的负电极上使用的有序碳材料的示意图；图3A是针对不同类型阻燃添加剂的硬质碳半电池形成的实验图示；图3B是针对不同浓度阻燃添加剂的硬质碳半电池形成的实验图示；图3C是针对不同浓度阻燃添加剂的软质碳半电池形成的实验图示；图3D是针对不同类型阻燃添加剂的石墨半电池形成的实验图示；图4是针对不同浓度阻燃添加剂和在不同放电倍率下的硬质碳半电池形成的实验图示；图5A是针对不同浓度阻燃添加剂的硬质碳全电池形成的实验图示；图5B是针对不同浓度阻燃添加剂的软质碳全电池形成的实验图示；图5C是针对不同类型阻燃添加剂的石墨全电池形成的实验图示；图6A是针对不同浓度阻燃添加剂的硬质碳全电池放电的实验图示；图6B是针对不同浓度阻燃添加剂的软质碳全电池放电的实验图示；图6C是针对不同类型阻燃添加剂的石墨全电池放电的实验图示；图7A是针对不同类型阻燃添加剂的硬质碳全电池循环的实验图示；图7B是针对不同浓度阻燃添加剂的硬质碳全电池循环的实验图示；图7C是针对不同浓度阻燃添加剂的软质碳全电池循环的实验图示；图7D是针对不同浓度阻燃添加剂的石墨全电池循环的实验图示；图7E至7G是针对不同浓度阻燃添加剂的高容量石墨全电池循环的实验图示；图8包含显示电解质吸收至石墨电极中的实验照片；图9A和9B包含显示电解质吸收至硬质碳电极中的实验照片；图1OA和IOB是在强制锂枝状晶体测试期间硬质碳半电池容量的实验图示；图11包含描绘在图1OA和IOB的硬质碳电极上的强制枝状晶体形成的实验照片；图12是针对不同类型阻燃添加剂的硬质碳半电池阻抗的实验图示。对应的附图标记表示若干视图中的对应部分。本文所述示例举例说明本专利技术的示例性实施方案并且此类示例不被解释为以任何方式限制本专利技术的范围。具体实施例方式本文所公开的实施方案无意于穷举或将本专利技术限制于以下详细描述中所公开的具体形式。相反，选择并描述了实施方案以使得本领域技术人员可利用它们的教导。图1提供了锂基电化学电池100，其可用于可再充电电池或非可再充电的电池。电池100可用于混合动カ车辆或电动车辆的可再充电电池，例如用作驱动车辆的电动机的能源。虽然本专利技术主要涉及为车辆储存和提供能量，但是应理解，本专利技术可应用于从电池接收功率的其他设备，如固定式能量储存市场(stationary energy storage market)。用于固定式能源储存市场的示例性应用包括向电网提供功率、提供功率作为不间断电源以及可利用固定式电源的其它负载。在一个实施方案中，本文所公开的系统和方法可施用于提供不间断电源以用于数据中心的计算装置和其他设备。基于从主电源接收的功率的一种或更多种特性或者主电源缺乏足够的功率，数据中心的控制器或其他负载可从主电源切換至本专利技术的储能系统。图1的电池100包含负电极(或阳极)112和正电极(或阴极)114。在负电极112和正电极114之间，图1的电池100还包含电解质116和隔离器118。根据常规的电流流动方式，当电池100放电时，锂离子从负电极112通过电解质116移动至正电极114，电子流以相同方向从负电极112流动至正电极114，而电流以相反方向从正电极114流动至负电极112。当电池100充电时，外部电源强制电流从负电极112逆向流至正电极114。如图1所示，电池100的负电极112示例性包括在电解质116中与锂离子相互作用的活性材料的第一层112a和导电材料的底层衬底或第二层112b。第一活性层112a可利用合适的胶粘剂或粘合剂如聚偏ニ氟こ烯(PVDF)或羧甲基纤维素(CMC)加上丁苯橡胶(SBR)而施加至第二导电层112b的ー侧或两侧。用于负电极112的第一层112a的示例性活性材料包括例如碳质材料，其在以下进一步讨论。用于负电极112的第二层112b的示例性导电材料包括金属和金属合金，例如铝、铜、镍、钛和不锈钢。负电极112的第二导电层112b可以是例如薄箔片或网状物的形式。在一个示例性实施方案中，负电极112的第一活性层112a(图1)包含无序的、非石墨的、非结晶硬质碳材料130。如图2A所示，硬质碳130包括不同形状和尺寸的多个无序且不均匀间隔的石墨烯片132，相邻石墨烯片132间隔约0.38nm或更多以将锂离子容纳在其间。例如，在图2A中不出石墨稀片132的无序且不均勾的间隔，其中一些石墨稀片132通常水平取向而另一些石墨烯片132通常垂直取向。硬质碳材料130通常由在其热解时焦化的有机前体制得。在另一个示例性实施方案中，负电极112的第一活性层112a(图1)包含无序的、非石墨的、非结晶软质碳材料140。如图2B所示，软质碳140包含不同形状和尺寸的多个堆叠的、不均匀间隔的石墨烯片132，其中相邻石墨烯片142间隔约0.375nm或更多以将锂离子容纳在其间。与硬质碳130的石墨烯片132 (图2A)相比，软质碳140的石墨烯片142更加紧密地对准以更均匀地堆叠。软质碳材料140通常由在其热解之前熔化的有机前体制得。负电极112的第一活性层112a(图1)可包含有序的结晶碳材料如石墨150，这也在本公开的范围内。如图2C所示，石墨150包含多个整齐堆叠的石墨烯片152，其中相邻石墨烯片平行排列并且以约0.335nm基本上均匀地间隔开以将锂离子容纳在其间。由于在相邻石墨烯片152之间的紧密间隔，石墨150可膨胀约10体积％以将锂离子容置在相邻的石墨烯片152之间。有序碳电极如由石墨150 (图2C)制得的电极具有372mAh/g的理论最大容量。在理论上，无序碳电极如由硬质碳130(图2A)或软质碳140(图2B)制得的电极可以能够具有比有序碳电极更闻的容量。例如，石墨150的相邻石墨稀片152(图2C)可需要浮动间隔以容置锂离子，而硬质碳130的相邻石墨烯片132 (图2A)和软质碳140的相邻石墨烯片142 (图2B)可以被充分间隔开(例如间隔多于约0.34n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂基电化学电池，包含：含有无序碳材料的阳极，所述阳极具有充电容量和放电容量；阴极；与所述阳极和所述阴极连通的电解质；和阻燃添加剂，所述阻燃添加剂通过增加所述阳极的所述充电容量和所述放电容量中的至少之一来改善所述阳极的性能。

【技术特征摘要】
2011.10.28 US 61/552,6201.一种锂基电化学电池，包含: 含有无序碳材料的阳极，所述阳极具有充电容量和放电容量； 阴极； 与所述阳极和所述阴极连通的电解质；和 阻燃添加剤，所述阻燃添加剂通过増加所述阳极的所述充电容量和所述放电容量中的至少之ー来改善所述阳极的性能。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极的所述无序碳材料在放置为与所述电解质连通之前被老化，所述阻燃添加剂恢复所述阳极的所述老化的无序碳材料以改善所述阳极的性能。3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述阳极的所述无序碳材料在放置为与所述电解质连通之前被老化至少约I个月，尤其为至少3个月。4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中在半电池中的形成期间测量所述阳极的所述放电容量，与包含有序碳材料的情况相比，所述阻燃添加剂使包含所述无序碳材料的所述阳极的放电容量増加得更多。5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中所述阻燃添加剂使所述半电池中所述阳极的所述放电容量増加至少约3% ;或者，其中所述阳极的所述无序碳材料包括硬质碳，所述阻燃添加剂使所述半电池中所述阳极的所述放电容量増加至少约10%或者所述阻燃添加剂使所述半电池中所述阳极的所述放电容量增加约30mAh/g或更多。6.根据权利要求4所述的电 化学电池，其中所述阳极的所述无序碳材料包括软质碳，所述阻燃添加剂使所述半电池中所述阳极的所述放电容量増加至少约5%或者所述阻燃添加剂使所述半...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛丽·L·帕特森，马克·A·巴利茨基，穆罕默德·塔格古吉，
申请(专利权)人：埃纳德尔公司，
类型：发明
国别省市：