[发明专利]具有额外锂的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及基于锂的电池，其具有诸如富含锂的组合物等正电极活性材料和在充电期间可嵌入锂/与锂形成合金的负电极活性材料，其中除由所述正电极活性材料提供的可移除锂以外，所述电池也是由其它不稳定或可脱出锂形成。本发明进一步涉及在极高比容量下具有惊人的极佳循环的高电压锂二次电池。

背景技术

锂电池因其相对高能量密度而广泛用于消费性电子装置中。可再充电电池也称作二次电池，且锂离子二次电池通常具有嵌入锂或与锂形成合金的负电极材料。对于一些现有市售电池来说，负电极材料可为石墨，且正电极材料可包含锂钴氧化物(LiCoO₂)。实际上，仅可使用适当部分的阴极理论容量。目前在商业应用中还有至少两种其它基于锂的阴极材料。所述两种材料是具有尖晶石结构的LiMn₂O₄和具有橄榄石结构的LiFePO₄。所述其它材料在能量密度方面并未提供任何显著改良。

锂离子电池根据其应用通常分为两类。第一类涉及高功率电池，其中锂离子电池单元经设计以在诸如电动工具和混合电动车(HEV)等应用中递送高电流(安培)。然而，由于提供高电流的设计通常会降低电池可递送的总能量，所以所述电池单元的能量降低。第二类设计涉及高能量电池，其中锂离子电池单元经设计以在诸如手机、膝上型计算机、电动车(EV)和插电式混合电动车(PHEV)等应用中递送低到中等电流(安培)且递送较高总容量。

发明内容

在第一方面中，本发明涉及锂离子电池，其包含额外锂、正电极、负电极、位于所述正电极与所述负电极之间的隔离件和包含锂离子的电解质。在一些实施例中，所述负电极包含锂嵌入/合金化组合物，且所述正电极包含近似地由式Li_1+xM_1-yO_2-zF_z表示的组合物，其中M是一种或一种以上金属元素，x是约0.01到约0.33，y是约x-0.2到约x+0.2，前提是y≥0，且z是0到约0.2。

在又一方面中，本发明涉及锂离子电池，其包含含有锂嵌入组合物的负电极；包含Li_1+xM_1-yO_2-zF_z的正电极，其中M是一种或一种以上金属元素，x是约0.01到约0.33，y是约x-0.2到约x+0.2，前提是y≥0，且z是0到约0.2；和位于所述负电极与所述正电极之间的隔离件。在600次介于4.5V与2.0V之间的循环后，所述负电极可包含不超过约1重量%来自正电极的金属。

在另一方面中，本发明涉及锂离子电池，其包含正电极、负电极、位于所述正电极与所述负电极之间的隔离件和包含锂离子的电解质，所述负电极包含锂嵌入/合金化组合物。所述正电极可包含近似地由式Li_1+xM_1-yO_2-zF_z表示的组合物，其中M是一种或一种以上金属元素，x是约0.01到约0.33，y是约x-0.2到约x+0.2，前提是y≥0，且z是0到约0.2。在一些实施例中，在使所述电池循环20次从4.5伏特到2伏特的循环后，且在使所述电池放电到98%放电容量后，可移除负电极并使其以负电极容量的至少约0.5%的容量电化学脱嵌/去合金化，且相应地从负电极移除锂。

在其它方面中，本发明涉及锂离子电池，其包含正电极、负电极、位于所述正电极与所述负电极之间的隔离件和包含锂离子的电解质，所述负电极包含锂嵌入/合金化组合物，其中在从第5次循环到第200次循环以C/3速率从4.5V放电到2V时，所述正电极在第200次循环的室温放电比容量为第5次循环放电比容量的至少约92.5%。

此外，本发明涉及锂离子电池，其包含正电极、负电极、位于所述正电极与所述负电极之间的隔离件和包含锂离子的电解质，所述负电极包含锂嵌入/合金化组合物，其中在从第5次循环到第175次循环以1C速率从4.5V放电到2V时，所述电池在第175次循环的室温放电比容量为第5次循环放电比容量的至少约75%。

另外，本发明涉及锂离子电池，其包含正电极、负电极、位于所述正电极与所述负电极之间的隔离件和包含锂离子的电解质，所述负电极包含锂嵌入/合金化组合物，其中当在55℃温度下从第5次循环到第45次循环以C/3速率从4.5V放电到2V时，所述电池在第45次循环的放电比容量为第5次循环放电比容量的至少约90%。