使用高級(jí)陰極材料的高電壓、高體積能量密度鋰離子電池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)所公開的實(shí)施例提供了一種電池單元。該電池單元包括具有陽極集流體的陽極和設(shè)置在陽極集流體上方的陽極活性材料。該電池單元還包括具有陰極集流體的陰極和設(shè)置在陰極集流體上方的陰極活性材料。該陰極活性材料具有由xLi2MO3·(1-x)LiCoyM'(1-y)O2表示的組合物。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本實(shí)施例總體涉及可再充電電池。更具體地，本實(shí)施例涉及使用高級(jí)陰極材料的 高電壓、高體積能量密度鋰離子電池的設(shè)計(jì)。
技術(shù)介紹
可再充電電池廣泛用于各種消費(fèi)、醫(yī)療、航天、國防、和/或交通運(yùn)輸應(yīng)用中的能 量存儲(chǔ)裝置。最常用類型的可再充電電池是鋰電池，該鋰電池可包括鋰離子或鋰聚合物電 池。隨著電池供電的設(shè)備日益變小并且更強(qiáng)大，為這些設(shè)備供電的電池需要在較小的體積 中儲(chǔ)存更多的能量。因此，通過用于改進(jìn)設(shè)備中的電池的體積能量密度的機(jī)制可有助于電 池供電的設(shè)備的使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例提供了一種電池單元。該電池單元包括具有陽極集流體的 陽極和設(shè)置在陽極集流體上方的陽極活性材料。該電池單元還包括具有陰極集流體的陰極 和設(shè)置在陰極集流體上方的陰極活性材料。陰極活性材料具有由xLi2M03 ? (l-x)LiC〇yM'uy) 〇2表示的組合物。 在一些實(shí)施例中，M為錳、鈦、釕和鋯中的至少一者。 在一些實(shí)施例中，y= 1. 00,M'不存在，并且組合物為xLi2M03 ? (l-x)LiCo02。 在一些實(shí)施例中，0.5 <y〈 1.00,并且M'為一價(jià)陽離子、二價(jià)陽離子、三價(jià)陽離子、 四價(jià)陽離子和釕陽離子中的至少一者。 在一些實(shí)施例中，M或M'包含金屬陽離子的混合物。 在一些實(shí)施例中，混合物中的金屬陽離子的化學(xué)計(jì)量數(shù)不相等。 在一些實(shí)施例中，0.01<x<0.50。 在一些實(shí)施例中，組合物利用加鋰固態(tài)反應(yīng)和使用溶液共沉淀法制成的混合金屬 水合氫氧化物前體中的至少一者形成。 在一些實(shí)施例中，y= 1. 00,M為錳（Mn)，并且組合物為xLi2Mn03 ? (l-x)LiCo02。 在一些實(shí)施例中，可從陰極活性材料可逆地提取的鋰的量大于165mAh/g。 在一些實(shí)施例中，可從陰極活性材料可逆地提取的鋰的量大于200mAh/g?！靖綀D說明】 本專利或申請文件包括至少一個(gè)彩色繪制的附圖。在請求并支付必要費(fèi)用的前提 下，專利局將提供本專利或?qū)＠暾埞_的帶有一個(gè)或多個(gè)彩色附圖的副本。 圖1示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的頂視圖。 圖2示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的一組層。 圖3示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的陰極活性材料組合物的掃描電子顯微 照片（SEM)。 圖4示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的陰極活性材料組合物的X射線粉末衍射 (XRD)〇 圖5示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的陰極活性材料組合物的拉曼振動(dòng)光譜。 圖6示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的陰極活性材料組合物的SEM。 圖7示出了用于根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的電池電壓分布。 圖8示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的容量與周期數(shù)的曲線。 圖9示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的兩個(gè)陰極的XRD圖案。 圖10A示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的電池電壓分布。 圖10B示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的電池電壓分布。 圖10C示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的電池電壓分布。 圖10D示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的容量與周期數(shù)的曲線。 圖10E示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的容量與周期數(shù)的曲線。 圖10F示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的容量與周期數(shù)的曲線。 圖10G示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的dO/dV曲線。 圖11示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的陰極活性材料組合物的SEM。 圖12A示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的介于2. 75V和4. 4V之間 的電池電壓分布。 圖12B示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的介于2. 75V和4. 5V之間 的電池電壓分布。 圖12C示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的介于2. 75V和4. 6V之間 的電池電壓分布。 圖12D示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的介于2. 75V和4. 4V之間 的速率學(xué)習(xí)測試（所標(biāo)記的C速率）期間的容量與周期數(shù)的曲線。 圖12E示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的介于2. 75V和4. 5V之間 的速率學(xué)習(xí)測試（所標(biāo)記的C速率）期間的容量與周期數(shù)的曲線。 圖12F示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的介于2. 75V和4. 6V之間 的速率學(xué)習(xí)測試（所標(biāo)記的C速率）期間的容量與周期數(shù)的曲線。 圖12G示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的在2. 75V和4. 5V之間循環(huán)的電池單 元的周期性能學(xué)習(xí)期間的容量與周期數(shù)的曲線。 圖12H示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的電池單元的dO/dV曲線。圖13示出了根據(jù)本專利技術(shù)所公開的實(shí)施例的便攜式電子設(shè)備。 在圖中，類似的參考編號(hào)是指相同的附圖元件?！揪唧w實(shí)施方式】 呈現(xiàn)以下描述是為了使得本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠作出并使用該實(shí)施例，并且 以下描述是在特定應(yīng)用及其要求的上下文中提供的。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，對本發(fā) 明所公開的實(shí)施例的各種修改將是顯而易見的，并且可將本文所定義的一般原理應(yīng)用于其 他實(shí)施例和應(yīng)用而不脫離本公開的實(shí)質(zhì)和范圍。因此，本專利技術(shù)不限于所示的實(shí)施例，但要符 合根據(jù)本文所公開的原理和特征的最廣泛的范圍。 包含Co和Mn的鋰陰極活性材料（例如，LiNi1/3Mn1/3C〇1/302 (NMC))已被合成用于可 再充電電池，尤其是鋰電池和電池組。典型地，使用這些陰極活性材料的電池單元經(jīng)受低體 積能量密度、第一循環(huán)中的高百分比容量不可逆性、隨循環(huán)推移的容量降級(jí)以及低速率。本 實(shí)施例針對這些不足并且提供良好的體積能量密度、循環(huán)壽命和高速率放電能力。 圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的電池單元100的頂視圖。電池單元100可對應(yīng)于可用于 為在消費(fèi)、醫(yī)療、航空、國防和/或交通運(yùn)輸應(yīng)用中使用的設(shè)備供電的鋰離子或鋰聚合物電 池單元。電池單元100包括凝膠卷102,該凝膠卷包括卷繞在一起的多個(gè)層，該多個(gè)層包括 具有活性涂層的陰極、隔板和具有活性涂層的陽極。更具體地，凝膠卷102可包括被一條隔 板材料帶（如，導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)）分隔開的一條陰極材料帶（如，涂覆有鋰化合物的鋁 箱）和一條陽極材料帶（如，涂覆有碳的銅箱）。然后，陰極、陽極和隔板層可卷繞在芯軸上 以形成螺旋形卷繞結(jié)構(gòu)。作為另外一種選擇，層可層疊和/或用于形成其他類型的電池單 元結(jié)構(gòu)諸如雙單元結(jié)構(gòu)。凝膠卷在本領(lǐng)域中是已知的并且將不再進(jìn)一步描述。 在組裝電池單元100的過程中，凝膠卷102被封裝在柔性袋中，所述柔性袋是通過 沿著折疊線112折疊柔性片材而形成的。例如，柔性片材可由具有聚合物膜（例如聚丙烯） 的鋁構(gòu)成。在折疊柔性片材之后，例如可以通過沿著側(cè)面密封部110和沿著平臺(tái)密封部108 施加熱來密封柔性片材。柔性袋的厚度可小于120微米以提高電池單元100的封裝效率和 /或能量密度。 凝膠卷102還包括耦接到陰極和陽極的一組導(dǎo)電插片106。導(dǎo)電插片106可延伸 穿過袋中的密封部（例如，使用密封帶104形成的密封部）來為電池單元100提供端子。 然后，導(dǎo)電插片106可用于將電池單元100與一個(gè)或多個(gè)其他電池單元電耦接以形成電池 組。例如，電池組可通過以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)配置來耦接電池單元形成。可將耦接的單元 封裝在硬質(zhì)殼體中以完成本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種電池單元，包括：陽極，所述陽極包括：陽極集流體；和設(shè)置在所述陽極集流體上方的陽極活性材料；和陰極，所述陰極包括：陰極集流體；和設(shè)置在所述陰極集流體上方的陰極活性材料，所述陰極活性材料具有由xLi2MO3·(1?x)LiCoyM'(1?y)O2表示的組合物。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：H·戴，C·S·約翰遜，H·吳，
申請(專利權(quán))人：蘋果公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US