具有高能量密度的锂离子电池

技术领域

引言

本公开总体上涉及具有高能量密度的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池包括阳极、阴极、隔板和电解质。电池可以以充电模式操作，接收电能。电池可以以放电模式操作，提供电能。电池可以通过充电和放电循环操作，其中电池首先接收和存储电能，然后向所连接的系统提供电能。在利用电能提供原动力的车辆中，车辆的电池单体可以被充电，然后车辆可以行驶一段时间，利用存储的电能生成原动力。

发明内容

提供了一种包括锂离子电池的系统。该系统包括两个电极，这两个电极包括阳极和阴极。该系统还包括电解质和设置在阳极与阴极之间的平面隔板。平面隔板包括第一平面、第二平面、涂覆第一平面的多孔陶瓷材料层和沉积在多孔陶瓷材料层上的锂。锂与两个电极中的一个接触。

在一些实施例中，多孔陶瓷材料层包括第一多孔陶瓷材料层。平面隔板还包括涂覆第二平面的第二多孔陶瓷材料层。

在一些实施例中，第一多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第一材料形成。第二多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第二材料形成。

在一些实施例中，沉积在多孔陶瓷材料层上的锂是第一锂层。平面隔板还包括沉积在第二多孔陶瓷材料层上的第二锂层。

在一些实施例中，多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的材料形成。

在一些实施例中，沉积在多孔陶瓷材料层上的锂是锂层。

在一些实施例中，锂与阳极接触。

在一些实施例中，锂与阴极接触。

根据一个备选实施例，提供了一种系统。该系统包括含锂离子电池的设备。锂离子电池包括两个电极，这两个电极包括阳极和阴极。锂离子电池还包括电解质和设置在阳极与阴极之间的平面隔板。平面隔板包括第一平面、第二平面、涂覆第一平面的多孔陶瓷材料层和沉积在多孔陶瓷材料层上的锂。锂与两个电极中的一个接触。

在一些实施例中，该设备包括车辆。

在一些实施例中，多孔陶瓷材料层包括第一多孔陶瓷材料层。平面隔板还包括涂覆第二平面的第二多孔陶瓷材料层。

在一些实施例中，第一多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其混合物组成的组的第一材料形成。第二多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其混合物组成的组的第二材料形成。

在一些实施例中，多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其混合物组成的组的材料形成。

在一些实施例中，第一多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第一材料形成。第二多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第二材料形成。

在一些实施例中，多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的材料形成。

在一些实施例中，沉积在多孔陶瓷材料层上的锂是锂层。

在一些实施例中，锂与阳极接触。

在一些实施例中，锂与阴极接触。

根据一个备选实施例，提供了一种锂离子电池系统。该系统包括交替电极图案，交替电极图案包括多个阳极和多个阴极。该系统还包括电解质和多个平面隔板，每个隔板设置在多个阳极中的每一个与多个阴极中的每一个之间。多个平面隔板中的每一个包括第一平面、第二平面、涂覆第一平面的第一多孔陶瓷材料层和涂覆第二平面的第二多孔陶瓷材料层。多个平面隔板的一部分中的每一个还包括沉积在第一多孔陶瓷材料层上的锂层。锂层与多个阳极之一和多个阴极之一接触。

在一些实施例中，多个平面隔板中的每一个还包括沉积在第一多孔材料层上的锂层。

在一些实施例中，锂层包括第一锂层，并且多个平面隔板的该部分中的每一个还包括沉积在第二多孔陶瓷材料层上的第二锂层。

在一些实施例中，多个平面隔板的其余部分中的每一个都不含锂层，并且平面隔板的该部分与平面隔板的其余部分在锂离子电池系统内形成交替图案。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1. 一种包括锂离子电池的系统，所述系统包括:

两个电极，所述两个电极包括:

阳极；以及

阴极；

电解质；以及

平面隔板，所述平面隔板设置在所述阳极与所述阴极之间，所述平面隔板包括:

第一平面；

第二平面；

涂覆所述第一平面的多孔陶瓷材料层；以及

沉积在所述多孔陶瓷材料层上的锂，其中所述锂与所述两个电极之一接触。

技术方案2. 根据技术方案1的系统，其中所述多孔陶瓷材料层包括第一多孔陶瓷材料层；以及

其中所述平面隔板还包括涂覆所述第二平面的第二多孔陶瓷材料层。

技术方案3. 根据技术方案2的系统，其中所述第一多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第一材料形成；以及

其中所述第二多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第二材料形成。

技术方案4. 根据技术方案2的系统，其中沉积在所述多孔陶瓷材料层上的锂是第一锂层；以及

其中所述平面隔板还包括沉积在所述第二多孔陶瓷材料层上的第二锂层。

技术方案5. 根据技术方案1所述的系统，其中所述多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的材料形成。

技术方案6. 根据技术方案1的系统，其中沉积在所述多孔陶瓷材料层上的所述锂是锂层。

技术方案7. 根据技术方案1的系统，其中所述锂与所述阳极接触。

技术方案8. 根据技术方案1的系统，其中所述锂与所述阴极接触。

技术方案9. 一种系统，包括:

含锂离子电池的设备，所述锂离子电池包括:

两个电极，所述两个电极包括:

阳极；以及

阴极；

电解质；以及

平面隔板，所述平面隔板设置在所述阳极与所述阴极之间，所述平面隔板包括:

第一平面；

第二平面；

涂覆所述第一平面的多孔陶瓷材料层；以及

沉积在所述多孔陶瓷材料层上的锂，其中所述锂与所述两个电极之一接触。

技术方案10. 根据技术方案9所述的系统，其中，所述设备包括车辆。

技术方案11. 根据技术方案9的系统，其中所述多孔陶瓷材料层包括第一多孔陶瓷材料层；并且

其中所述平面隔板还包括涂覆所述第二平面的第二多孔陶瓷材料层。

技术方案12. 根据技术方案11所述的系统，其中所述第一多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第一材料形成；以及

其中所述第二多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的第二材料形成。

技术方案13. 根据技术方案9的系统，其中所述多孔陶瓷材料层由选自沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合组成的组的材料形成。

技术方案14. 根据技术方案9的系统，其中沉积在所述多孔陶瓷材料层上的锂是锂层。

技术方案15. 根据技术方案9的系统，其中所述锂与所述阳极接触。

技术方案16. 根据技术方案9的系统，其中所述锂与所述阴极接触。

技术方案17. 一种锂离子电池系统，包括:

交替电极图案，所述交替电极图案包括多个阳极和多个阴极；

电解质；以及

多个平面隔板，每个平面隔板设置在所述多个阳极中的每一个与所述多个阴极中的每一个之间，所述多个平面隔板中的每一个都包括:

第一平面；

第二平面；

涂覆所述第一平面的第一多孔陶瓷材料层；以及

涂覆所述第二平面的第二多孔陶瓷材料层；

其中所述多个平面隔板的一部分中的每一个还包括沉积在所述第一多孔陶瓷材料层上的锂层，其中所述锂层与所述多个阳极之一和所述多个阴极之一接触。

技术方案18. 根据技术方案17所述的锂离子电池系统，其中所述多个平面隔板中的每一个还包括沉积在第一多孔材料层上的所述锂层。

技术方案19. 根据技术方案17所述的锂离子电池系统，其中所述锂层包括第一锂层；以及

其中所述多个平面隔板的所述部分中每一个还包括沉积在所述第二多孔陶瓷材料层上的第二锂层。

技术方案20. 根据技术方案19所述的锂离子电池系统，其中所述多个平面隔板的其余部分中的每一个都不含锂层；并且

其中所述平面隔板的所述部分和所述平面隔板的所述其余部分在所述锂离子电池系统内形成交替图案。

当结合附图时，从以下对实施本公开的最佳模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示意性地图示了根据本公开的示例性锂离子电池的截面图，该锂离子电池包括平面隔板，平面隔板在隔板两侧涂覆有多孔陶瓷材料层并且包括沉积在多孔陶瓷材料层之一上的锂；

图2示意性地图示了根据本公开的图1的锂离子电池的一个实施例的截面图，该锂离子电池包括在多孔陶瓷材料层的面向阳极的一侧上的可见的、基本均匀的锂层；

图3示意性地图示了根据本公开的图1的锂离子电池的备选实施例的截面图，该锂离子电池包括在多孔陶瓷材料层的面向阴极的一侧上的可见的、基本均匀的锂层；

图4示意性地图示了根据本公开的图1的锂离子电池的备选实施例的截面图，该锂离子电池包括在多孔陶瓷材料层的面向阳极的一侧上的第一可见的、基本均匀的锂层和在多孔陶瓷材料层的面向阴极的一侧上的第二可见的、基本均匀的锂层；

图5示意性地图示了根据本公开的包括车辆的示例性设备，其中该设备包括共同配置为电池系统的多个图1的锂离子电池；

图6是图示根据本公开的形成锂离子电池的示例性方法的流程图，该锂离子电池包括平面隔板，平面隔板在隔板两侧涂覆有多孔陶瓷材料层，并且包括沉积在多孔陶瓷材料层之一上的锂；

图7图示了根据本公开的包括阳极和阴极的交替叠堆的示例性电池系统，其中隔板被图示设置在电极中的每一个之间，并且其中每隔一个隔板包括设置在隔板两侧的锂层；以及

图8图示了根据本公开的备选电池系统，该备选电池系统包括阳极和阴极的交替叠堆，其中隔板被图示为设置在电极中的每一个之间，并且其中每个隔板具有面向电池系统的同一侧设置的单个锂层。

具体实施方式

锂离子电池被配置用于放电循环和充电循环，在放电循环中，化学能被转换成电能，该电能被提供给所附接的系统使用，在充电循环中，电能被提供给锂离子电池并作为化学能存储在锂离子电池中。在放电循环期间，锂离子从阳极移动，穿过隔板，并返回到阴极的分子结构中。在充电循环期间，锂离子从阴极移出，穿过隔板，并嵌入阳极。在放电循环期间，锂离子在阳极与阴极之间向后和向前移动的过程相对高效，几乎所有离开阳极的锂离子都到达并返回到阴极。锂离子在充电循环期间移动并嵌入阳极的过程比放电循环期间的过程效率低，锂离子由于在阳极上形成固体电解质界面膜(SEI)层和其他非预期的化学反应而损失。锂量不足的电池，例如可能是由于在充电循环期间锂的损失造成，可能会表现出性能下降和电池寿命缩短。

预锂化是一个过程，通过该过程，在电池中提供或形成过量的锂，预期补偿因充电循环而损失的锂。通过在电池中提供过量的锂，可以实现电池的优异性能和使用寿命。电池中过量的锂的有效性因过量锂的沉积位置而异。如果过量的锂不与阳极或电极接触，则过量的锂可能不参与锂离子转移。此外，基于过量的锂，电池单体的形成或组装可能是复杂的。预锂化阳极或预锂化阴极可能难以搬运和储存。锂箔可能难以搬运，并且可能包括长的形成循环。

提供了一种包括具有高能量密度的锂离子电池的系统和一种用于形成锂离子电池的方法。锂离子电池包括平面隔板，该平面隔板包括涂覆在平面隔板至少一侧的多孔陶瓷材料层。锂离子电池可包括两个多孔陶瓷材料层，平面隔板的两个平面中的每一个涂覆一层。多孔陶瓷材料层可以由沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合形成。锂可以沉积在多孔陶瓷材料层上。包括锂沉积物的多孔陶瓷材料层可以与锂离子电池的阳极接触或面向该阳极。包括锂沉积物的多孔陶瓷材料层可与锂离子电池的阴极接触或面向该阴极。

多孔陶瓷材料层是多孔的，以使多孔陶瓷材料能够被锂离子电池的电解质饱和，使得锂离子可以穿过多孔陶瓷材料。锂可以沉积在多孔陶瓷材料层上，以防止沉积的锂直接形成在隔板上。直接沉积在隔板上的锂可能堵塞隔板中的孔隙，并干扰锂离子通过隔板的自由转移。

多孔陶瓷材料层包括沉积在该层上的锂，该多孔陶瓷材料层可以与锂离子电池的阳极或阴极接触。通过将沉积的锂放置成与电极之一接触，锂接收与电极相同的电势，使得从沉积在多孔陶瓷材料层上的锂的锂离子转移作为锂离子电池充电循环和放电循环的正常部分发生。

现在参考附图，其中在几个视图中相似的附图标记表示相似的特征，图1示意性地图示了示例性锂离子电池10的截面图，该锂离子电池10包括平面隔板40，平面隔板40在隔板40的两侧涂覆有多孔陶瓷材料层42和44，并且包括沉积在多孔陶瓷材料层42和44之一上的锂。锂离子电池10包括阳极20、阴极30和电解质60。平面隔板40包括在平面隔板40的一侧上的第一平面41和在平面隔板40的第二侧上的第二平面43，在两个平面41与43之间具有基本恒定的材料厚度。平面隔板40使得离子能够通过平面隔板40转移，并且可以由聚合材料形成。多孔陶瓷材料层42和44可以由沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合形成。

图2示意性地图示了图1的锂离子电池10的一个实施例的截面图，包括在多孔陶瓷材料层42的面向阳极20的一侧上的可见的、基本均匀的锂层50。出于清楚图示的目的，锂离子电池10的部件以具有相似厚度的层来图示。应当理解，这些层的实际厚度可以不同，例如，在一些实施例中，锂层50的厚度可以以微米测量。锂层50与阳极20接触，使得阳极20的电荷被提供给锂层50。以这种方式，在锂离子电池10的放电循环期间，从锂层50生成锂离子。

图3示意性地图示了图1的锂离子电池10的备选实施例的截面图，该锂离子电池10包括在多孔陶瓷材料层44面向阴极30的一侧上的可见的、基本均匀的锂层52。出于清楚图示的目的，锂离子电池10的部件以具有相似厚度的层来图示。应当理解，这些层的实际厚度可以不同，例如，在一些实施例中，锂层52的厚度可以以微米测量。锂层52与阴极30接触，使得阴极30的电荷被提供给锂层52。以这种方式，在锂离子电池10的充电循环期间，从锂层52生成锂离子。在一个备选实施例中，图3的锂层52可沉积在阴极30上，作为沉积在隔板40或多孔陶瓷材料层44上的替代或补充。

取决于电池设计环境和电池系统的结构，图2和图3中描述的锂层50和52可以沉积在隔板40的单侧或双侧上。图4示意性地图示了图1的锂离子电池10的备选实施例的截面图，包括在多孔陶瓷材料层42的面向阳极20的一侧上的第一可见的、基本均匀的锂层50和在多孔陶瓷材料层44的面向阴极30的一侧上的第二可见的、基本均匀的锂层52。具有多孔陶瓷材料层42和44的隔板40在多孔陶瓷材料层42和44中的每一层的一侧涂覆有锂。面向阳极20的锂层，即锂层50，在单体组装后，将快速完成预锂化，而面向阴极30的锂层，即锂层52，可能需要花时间来穿过隔板40以到达阳极20。这个过程可能需要多个循环才能完成。此外，面向阴极30之一的锂层52可用作锂源，以为电池系统提供优异的寿命。与图2和图3的单侧涂层的实施例相比，图4的配置可减少锂层涂层50、52的总厚度，从而节省材料。

图5示意性地图示了包括车辆的示例性设备100，其中设备100包括多个图1的锂离子电池10，这些锂离子电池10被共同配置为电池系统110。设备100还包括电机120，电机120包括实施为输出轴的输出部件122，输出轴被配置成用于提供输出扭矩和/或接收输入扭矩。电池系统110可以提供用于操作和推进设备100的电能。电池10的充电循环可以通过从多个可能的源接收或回收电能来实现，这些可能的源为诸如但不限于被配置成从基础设施设备接收能量的电插头、燃料电池以及利用设备100的再生制动。

图6是图示形成图1的锂离子电池10的示例性方法200的流程图，该锂离子电池10包括图1的平面隔板40，该平面隔板40在图1的该隔板40的两侧涂覆有图1的多孔陶瓷材料层42、44，并且包括沉积在多孔陶瓷材料层42、44之一上的锂。方法200始于步骤202。在步骤204，在聚合平面隔板40的两侧涂覆多孔陶瓷材料层42、44，其中多孔陶瓷材料42、44可以包括沸石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆及其组合。在步骤206，通过包括热沉积、真空下的气相沉积和化学沉积等沉积，将图2至图4的锂层50、52沉积在多孔陶瓷材料层42、44之一上。在步骤208，通过将隔板40放置在图1的阳极20与阴极30之间并添加图1的可包括液体电解质组合物的电解质60，将包括多孔陶瓷材料层42、44和包括锂层50、52的隔板40安装到锂离子电池10或用于形成锂离子电池10。方法200在步骤210结束。提供方法200作为形成锂离子电池10的示例性方法。设想了许多备选和/或附加的方法步骤，并且本公开不旨在限于这里提供的示例性方法步骤。

图2至图4的锂离子电池10的实施例可用于包括阳极20和阴极30的交替层的电池系统中，每个阳极20和阴极30被隔板40隔开。图7图示了包括阳极20和阴极30的交替叠堆的示例性电池系统300，其中包括多孔陶瓷材料层42和44的隔板40被图示为设置在电极中的每一个之间，并且其中部分302包括每隔一个的隔板40包括设置在隔板40两侧上的锂层50和52。可以说不包括锂层的隔板40的其余部分304不含锂层。在这种配置中，类似于图2和3所图示的单侧涂层的情况，来自面向阴极30之一的锂层52的锂穿过相应的隔板40到达相应的阳极20以完成预锂化，该相应的阳极20没有面向该阳极20的锂层。在图7的电池系统300的一个实施例中，最外面的两个电极可以是阳极20，在这种情况下，这两个阳极20将都包括与阳极20接触的面对的锂层，锂层之一50。

在图7的实施例中，所图示的最外面的两个电极是阴极30。在图示右侧处面向阴极30的锂层52没有要向其提供锂离子的阳极20。在一个实施例中，相应的隔板40可以替代地具有锂层50，并且省略锂层52。在另一个实施例中，在图示右侧处与阴极30相邻的隔板40可以包括图示的锂层52。通过消除电池系统300中的多种类型的隔板40，在电池系统300中维持单种隔板配置降低了制造复杂性，并且相应的锂层52可为电池系统300提供额外的锂源或锂，以获得优异的电池寿命。

图8图示了包括阳极20和阴极30的交替叠堆的备选电池系统400，其中包括多孔陶瓷材料层42和44的隔板40被图示设置在电极中的每一个之间，并且其中每个隔板40具有面向电池系统400的同一侧设置的单个锂层50或52。锂层50和52交替地面向阳极20之一或面向阴极30之一。锂层50直接锂化与其相邻的相应阳极20，同时锂层52提供锂离子，锂离子穿过相应隔板40以锂化没有锂层与之面对的相应阳极20。锂层52可以快速形成几微米的厚度，并且可以以非常低的成本制造。在一个实施例中，在隔板40的一侧涂覆有薄锂层的公共隔板40能够用作锂层50或锂层52，其中隔板是通用的，并且能够根据电池系统400的组装顺序提供锂层50或52。

虽然已经详细描述了实施本公开的最佳模式，但是熟悉本公开相关领域的技术人员将会认识到在所附权利要求的范围内用于实施本公开的各种备选设计和实施例。