具有增强的荷电状态估计的电极

技术领域

本公开涉及锂离子电池电极，更具体地，涉及具有增强的荷电状态估计的锂离子电池的负极电极。

背景技术

随着信息相关设备、通信设备等的迅速普及，开发可用作这些设备电源的电池的重要性日益增加。此外，在汽车工业中，正在开发可用于电动汽车或混合动力汽车的高功率输出、大能量密度电池。在目前存在的各种类型的电池中，锂离子电池由于其良好的功率密度(快速充电/放电性能)、高能量密度、长循环寿命，以及能够形成各种形状和尺寸从而有效填充电动车辆、移动电话和其他电子设备中的可用空间，因此成为人们关注的焦点之一。

对于锂离子电池的应用，能源管理非常重要。换言之，精确的荷电状态估计直接反映了电池在使用中的即时状态。在所有的估计方法中，基于开路电压的方法响应速度最快，相关算法非常简单，容易校准。因此，优选在某些情况下使用。然而，对于一些具有长而扁平的充电/放电平台的电池化学物质，例如，锂钛氧化物，很难精确地估计荷电状态，因此需要改进电极。

发明内容

因此，尽管目前的锂离子电池达到了预期目的，但仍需要一种新型改进的设计。

在一个实施例中，提供了一种具有增强的荷电状态估计的电池的负极电极。该负极电极包括负极集流体(current collector)和负极层。负极集流体具有第一侧和第二侧。负极层设置在负极集流体的第一侧和第二侧中的至少一侧上。负极层包括锂钛氧化物、第二负极材料(例如，铌钛氧化物)、粘合剂和导电碳。

在一个示例中，负极层包括第一层和第二层。第一层仅具有锂钛氧化物或具有锂钛氧化物和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。第二层仅包括第二负极材料(例如，铌钛氧化物)或包括第二负极材料(例如，铌钛氧化物)和锂钛氧化物。

在一个实施例中，第一层设置在负极集流体的第一侧，并且其中，第二层设置在第一层上，使得第一层设置在第二层和负极集流体的第一侧之间。

在另一实施例中，第二层设置在负极集流体的第一侧，并且其中，第一层设置在第二层上，使得第二层设置在第一层和负极集流体的第一侧之间。

在另一实施例中，第一层设置在负极集流体的第一侧，并且其中，第二层设置在负极集流体的第二侧，使得集流体设置在第一层和第二层之间。

在这些实施例中，负极层包括的锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的重量比可以为约99％至约1％。此外，锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)物理混合，或者至少部分涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。

在另一实施例中，提供了一种具有增强的荷电状态估计的电池。该电池包括正电极、负极和隔膜。正电极包括正极层和正极集流体。负电极包括负极层和负极集流体。电池电极还包括粘合剂和导电碳。负极集流体具有第一侧和第二侧。负极层包括锂钛氧化物和设置在负极集流体的第一侧和第二侧中的至少一侧上的第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。隔膜层设置在正电极和负电极之间。

在一个示例中，负极层包括第一层和第二层。第一层仅具有锂钛氧化物或具有锂钛氧化物和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。第二层仅包括第二负极材料(例如，铌钛氧化物)或包括第二负极材料(例如，铌钛氧化物)和锂钛氧化物。

在另一实施例中，第一层设置在负极集流体的第一侧。此外，第二层设置在第一层上，使得第一层设置在第二层和负极集流体的第一侧之间。

在又一实施例中，第二层设置在负极集流体的第一侧。此外，第一层设置在第二层上，使得第二层设置在第一层和负极集流体的第一侧之间。

在另一实施例中，第一层设置在负极集流体的第一侧。第二层设置在负极集流体的第二侧，使得集流体设置在第一层和第二层之间。

在这些实施例中，负极层包括的锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的重量比可以为约99％至约1％。此外，锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)物理混合，或者至少部分涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。

在又一示例中，提供了一种制造具有增强的荷电状态估计的电池的电极的方法。在该实例中，该方法包括混合铌前体、钛前体、锂氧化钛和溶剂，以限定前体溶液。该方法还包括在约600℃和约1200℃之间干燥前体溶液约5-15小时以除去溶剂，从而限定包含锂钛氧化物和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的电极材料。此外，锂钛氧化物至少部分被第二负极材料(例如，铌钛氧化物)涂覆。该方法还包括在负极集流体的至少一侧涂覆电极材料。

在该方法的一个示例中，铌前体和钛前体的摩尔比在约1∶1至约5∶1之间。此外，铌前体包括NbCl

在该方法的一个示例中，混合步骤包括：将溶剂与锂钛氧化物以及铌前体和钛前体中的一个(例如铌前体)混合，从而限定溶液。该方法还包括在搅拌溶液的同时，加入铌前体和钛前体中的另一个(例如，钛前体)，以限定前体溶液。

从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅仅是为了说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。

附图说明

在本文中描述的附图仅用于说明的目的，并非旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的一个实施例的具有增强的荷电状态估计的电池的负极电极的概念图像的截面图；

图2A是根据另一实施例的具有增强的荷电状态估计的电池的另一负极电极的材料层面上的概念图像的截面图；

图2B是根据又一实施例的电池的又一负极电极的材料层面上的概念图像的截面图；

图3是根据本公开的一个实施例的具有第一层和第二层的负极电极的概念图像的截面图；

图4是根据本公开的另一实施例的具有第一层和第二层的另一负极电极的概念图像的截面图；

图5是根据又一实施例的具有第一层和第二层的又一负极电极的概念图像的截面图；

图6是根据本公开的一个示例的具有增强的荷电状态估计的电池的概念图像的截面图；以及

图7是描绘根据本公开的一个示例的制造具有增强的荷电状态估计的电池电极的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参考图1，根据本公开的一个实施例，提供了一种用于具有增强的荷电状态估计的电池的负极电极10。如图所示，负极电极10包括负极集流体12和负极层14。在该实施例中，负极集流体12具有第一侧16和第二侧18。此外，负极集流体由导电材料组成，例如，金属、金属合金或任何其他合适的材料。

优选地，负极层14设置在负极集流体12的第一侧16和第二侧18中的至少一侧上。如图所示，负极层14设置在负极集流体12的第一侧16上。在该实施例中，负极层14包括锂钛氧化物20和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)22。在材料层面上，负极层14包括的锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的重量比优选为约99％至约1％。

图2A和2B描绘了根据本公开的另一实施例的负极电极30。如图所示，锂钛氧化物32至少部分涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)34。参考图2A，锂钛氧化物32被第二负极材料(例如，铌钛氧化物)34完全涂覆。参考图2B，锂钛氧化物32被第二负极材料(例如，铌钛氧化物)34部分涂覆。如下文将更详细描述的，锂钛氧化物涂覆第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的程度与用于制备电极的铌前体和钛前体的摩尔比有关。锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的重量比为约99％至约1％。

如图3所示，电极40包括负极集流体42和具有第一层46和第二层48的负极层44。优选地，第一层46仅具有锂钛氧化物或具有的锂钛氧化物和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的重量比为0至1。第二层48可以仅包括第二负极材料(例如，铌钛氧化物)或包括的第二负极材料(例如，铌钛氧化物)和锂钛氧化物的重量比为0至1。在该实施例中，第二层(仅第二负极材料(例如，铌钛氧化物))和第一层(仅锂钛氧化物)具有约0.01至约0.99的重量比。

如图所示，第一层46设置在负极集流体42的第一侧50上，第二层48设置在第一层46上，使得第一层46设置在第二层48和负极集流体42的第一侧50之间。

如图4所示，第二层48设置在负极集流体42的第一侧50上，并且其中，第一层46设置在第二层48上，使得第二层48设置在第一层46和负极集流体42的第一侧50之间。

如图5所示，第一层46设置在负极集流体42的第一侧50上，第二层48设置在负极集流体42的第二侧52上，使得集流体42设置在第一层46和第二层48之间。

图6示出了根据本公开的另一实施例的具有增强的荷电状态估计的电池60。如图所示，在材料层面上，电池60包括正电极62、负电极64和隔膜66。正电极62包括正极层68和包含导电材料的正极集流体70。负电极64包括负极层72和包含导电材料的负极集流体74。如图所示，负极集流体74具有第一侧77和第二侧78。

在该实施例中，负极层72包括锂钛氧化物和设置在负极集流体74的第一侧77和第二侧78中的至少一侧上的第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。负极层72包括的锂钛氧化物与第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的重量比为约99％至约1％。如图所示，隔膜层66设置在正电极62和负电极64之间。在一些实施例中，电池还包括粘合剂和导电碳。

在材料层面上，锂钛氧化物至少部分涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。如下文将更详细地所描述，锂钛氧化物涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的程度与用于制备电极的铌前体和钛前体的摩尔比有关。

如在前面的实施例中，负极层可以包括第一层和第二层。如前所述，第一层可以仅包括锂钛氧化物或重量比为0至1的锂钛氧化物和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。第二层48可以仅包括第二负极材料(例如，铌钛氧化物)或重量比为0至1的第二负极材料(例如，铌钛氧化物)和锂钛氧化物。

在电极层面上的一个实施例中，第一层可以设置在负极集流体的第一侧。第二层可以设置在第一层上，使得第一层设置在第二层和负极集流体的第一侧之间。

在另一实施例中，第二层可以设置在负极集流体的第一侧。第一层设置在第二层上，使得第二层设置在第一层和负极集流体的第一侧之间。

在又一实施例中，第一层可以设置在负极集流体的第一侧。第二层可以设置在负极集流体的第二侧，使得集流体设置在第一层和第二层之间。

图7示出了根据本公开的另一示例的制造具有增强的荷电状态估计的电池的电极的方法80。如图所示，方法80包括混合铌前体、钛前体、锂钛氧化物和溶剂以限定前体溶液的步骤82。在该实施例中，铌前体可以包括NbCl

如图7所示，该方法还包括在约600℃至约1200℃之间的温度下干燥前体溶液5至15小时以除去溶剂的步骤84。结果，干燥步骤限定或产生包含锂钛氧化物和第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的电极材料。在一个实施例中，锂钛氧化物和电极材料的重量比为约0.01至约0.99。如图所示，该方法还包括在负极集流体的至少一侧上涂覆电极材料的步骤86，从而得到电极。

在一个实施例中，在材料层面上，电极材料的锂钛氧化物至少部分涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)。应当理解，锂钛氧化物涂覆有第二负极材料(例如，铌钛氧化物)的程度与铌前体和钛前体的摩尔比直接相关。在该实施例中，铌前体和钛前体的摩尔比为约1∶1至约5∶1。

在本公开的一个方面，混合步骤包括将溶剂与锂钛氧化物以及铌前体和钛前体中的一个(例如，铌前体)混合，从而限定溶液。该方法还包括在搅拌溶液的同时，加入铌前体和钛前体中的另一个(例如，钛前体)，以限定前体溶液。换言之，然后在搅拌的同时将这两者中的另一个(铌前体、钛前体)加入到溶液中。例如，如果铌前体和锂钛氧化物与溶剂混合，则在搅拌的同时，将钛前体加入到溶液中，以限定前体溶液。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化旨在落入本公开的范围内。这种变化不应被视为背离本公开的精神和范围。