[发明专利]用于电池组和电容器的杂化活性材料

说明书

提供用于杂化电池组/电容器的电极的微粒电极材料，其中所述电池组的构件是锂离子电池组；所述电极材料包含：一组杂化粒子结构，各杂化粒子结构由电极材料和电容器材料构成，各杂化粒子结构的特征在于由用于锂离子电池组的活性阳极材料或活性阴极材料构成的芯粒子，各芯粒子被较小碳粒子的多孔壳覆盖，所述碳粒子是多孔的并充当这组杂化粒子结构中的电容器材料，电容器材料粒子壳的孔隙率使得所选锂电解质盐的非水溶液中的锂离子能与芯粒子的活性阳极材料或活性阴极材料和壳的多孔碳电容器粒子相互作用。还提供形成杂化粒子结构的方法。

对相关申请的交叉引用

本申请是2016年6月1日提交的并且名称为“LITHIUM ION BATTERY ANDCAPACITOR HYBRIDIZATION IN MATERIAL AND ELECTRODE LEVEL”的PCT/CN 2016/084249的部分继续申请案。PCT/CN 2016/084249的全文和附图并入本文作为参考。

引言

上文引用的PCT申请涉及将锂离子嵌入/脱嵌电极材料（电池组材料）和锂离子吸附-解吸电极材料（电容器材料）二者的单独粒子或单独粒子层并入锂基电化学电池的电极之一或两者中。选择锂离子处理材料并作为小（微米级）粒子使用以使各电池的组合活性阳极材料和组合活性阴极材料能够嵌入和吸附来自非水液体电解质的锂离子和相应阴离子。一般而言，嵌入/脱嵌过程在所选电池组电极材料的整个体积中发生。一克电池组电极材料通常可嵌入比吸附在电容器粒子表面上的量更大的锂离子量。但来自电池组粒子的锂离子释放通常比来自所选电容器粒子的锂离子释放得更慢。电池组粒子通常能够产生比电容器粒子更多的每克能量，但电容器粒子更快释放吸附的锂离子并通常能够提供比电池组粒子更大的每克功率。

通过在电化学电池的阳极和阴极之一或两者中将预定量的合适电容器材料与单独的电池组电极材料合并，可为其预期用途或应用平衡杂化锂离子电池组/电容器的功率水平、能量水平和循环寿命。通过改变在各电池的电极之一或两者中与锂离子电池组材料混合的电容器材料的含量，可以使电池组的性能更好地适应不同用途，如启动/停止车辆发动机运行、需要快速充电的用途、航运港口起重机操作、国家电网稳定器、赛车等。锂加工电化学电池的这些潜在用途各自可能对能量密度（Wh/kg）和对功率密度（W/kg）提出不同要求。对于许多用途，希望电化学电池能够产生40 Wh/kg至150 Wh/kg的能量密度和1500 W/kg至5800 W/kg的功率密度。

将合适的锂离子电池组电极材料的粒子和合适的电容器材料的单独粒子作为厚度基本一致的多孔、树脂粘合层施加到相容铝或铜集流片（通常薄箔）的一面或两面上。可将混合电池组和电容器电极材料粒子（也通常与导电碳的粒子混合并用聚合物粘合剂涂布）的单个多孔层粘合到集流体元件的两个主表面上。或者可将电池组电极粒子和电容器电极粒子的两个分开的多孔、树脂粘合层（一个层覆盖另一个层，各层含导电碳的粒子）相继共延粘合到合适集流体的表面上。

通常优选的是，阳极和阴极（其中之一或两者都含有电池组和电容器电极粒子）的各自电化学容量提供基本相等的电化学功率容量（以mWh等表示）。可以改变电极中的电池组电极粒子和电容器粒子的比例以提供不同的电池性质但平衡电极的输出容量。

仍然需要制备在材料的微粒结构内提供电池组和电容器功能的组合的进一步改进的杂化电极材料。

概述

制备用于锂离子杂化电化学电池组/电容器电池的杂化活性电极粒子结构，其中各微粒结构包含活性电极材料和活性电容器材料。可以用阳极或阴极材料的芯粒子形成一批或一组杂化电极粒子结构，各芯粒子具有电容器材料的较小就地成型粒子（formed-in-place particles）的多孔涂层（壳）。包封在粒子壳中的杂化芯粒子的结构使得阳极或阴极芯材料和壳的电容器材料都可与含锂电解质盐的非水溶液有效接触。各粒子结构中的活性阳极或阴极材料与电容器材料的相对比例影响杂化电极材料粒子的锂电池组（LiB）性能和电容器性能（CAP）。