[发明专利]用于防止锂离子电池过放电的电池单元设计

说明书

本公开提供了“用于防止锂离子电池过放电的电池单元设计”。根据一个实施例，一种锂离子电池包括阴极、阳极、在所述阴极和所述阳极之间的隔板、在所述阳极上的集电器以及在所述阳极和所述集电器之间的电子导电材料层。所述电子导电材料层被配置为响应于所述电池的电势越过所述电子导电材料的相变电势，从导体相变为绝缘体以防止金属离子从所述集电器溶解到所述阳极中。

技术领域

本公开涉及锂离子电池，并且更特别地涉及保护电池单元免于过放电的部件。

背景技术

传统的锂离子电池通常会遇到滥用问题，这可导致容量衰退、循环寿命较低和短路(其可导致热失控)。过放电是锂离子电池中常见的滥用问题之一。当电池过放电时，在石墨阳极处的电势会急剧增加，并且达到约3.56V对Li/Li+的稳定水平，如图1A和图1B中所示，并且固体-电解质界面分解，如图2中所示。这个稳定水平表示来自阳极集电器(currentcollector)的铜可发生氧化(腐蚀)所处的电势。铜的氧化可导致铜离子溶解到电解质中。在图2中示出了在过放电期间在各个状态(a)至(f)下的铜离子的氧化。在图2中，传统的锂离子电池100或电池单元包括阴极110、阳极120以及这两者之间的隔板130。阳极120包括活性材料和电解质，其在电池单元操作期间形成固体-电解质界面层150。传统电池100还包括铜阳极集电器140和在阴极110上的阴极集电器145。如图2中所示，在固体-电解质界面层150分解之后，铜离子160开始溶解到电解质中并行进通过隔板，并且在阴极表面上形成沉积物165。随着过放电状态的进行，沉积的铜离子165可生长，从而在电池单元中形成内部短路。

发明内容

根据一个实施例，一种锂离子电池包括阴极、阳极、在所述阴极和所述阳极之间的隔板、在所述阳极上的集电器以及在所述阳极和所述集电器之间的锂化钛酸锂(LTO)层，所述锂化LTO层被配置为响应于所述电池的电势越过所述锂化LTO的相变电势，脱锂以从导体相变为绝缘体以防止金属离子从所述集电器溶解到所述阳极中。

根据一个或多个实施例，所述相变电势可以是1.5V。在至少一个实施例中，所述阳极集电器可以是铜集电器。在某些实施例中，所述层可以在低于所述相变电势的电势下具有2.4S/cm的导电率。在一些实施例中，所述层可以在高于所述相变电势的电势下具有小于10^-6S/cm的导电率。在一个或多个实施例中，所述锂化LTO层可以包括粘合剂。

根据一个实施例，一种锂离子电池包括阴极、阳极、在所述阴极和所述阳极之间的隔板、在所述阳极上的集电器以及在所述阳极和所述集电器之间的电子导电材料层。所述电子导电材料层被配置为响应于所述电池的电势越过所述电子导电材料的相变电势，从导体相变为绝缘体以防止金属离子从所述集电器溶解到所述阳极中。

根据一个或多个实施例，所述相变电势可以是1.5V至3.5V。在至少一个实施例中，所述电子导电材料层可以是包括聚合物组分的复合层。在一个或多个实施例中，所述电子导电材料层可以包括锂化钛酸锂(LTO)材料。根据至少一个实施例，所述电子导电材料层可以在1.5V的电势下脱嵌以开始相变。在一些实施例中，所述电子导电材料层可以在低于所述相变电势的电势下具有至少10^-2S/cm的导电率。在至少一个实施例中，所述阳极集电器可以是铜集电器。在某些实施例中，所述电子导电材料层可以包括粘合剂。根据至少一个实施例，在所述相变电势以上，所述电子导电材料层可以具有小于10^-6S/cm的导电率。

根据一个实施例，一种操作锂离子电池的方法包括提供锂离子电池，所述锂离子电池包括阴极、阳极、在所述阴极和所述阳极之间的隔板、阳极集电器以及在所述阳极集电器和所述阳极之间的电子导电层；以及在放电电势下给所述锂离子电池放电。响应于所述放电电势超过相变电势，所述电子导电层经由脱锂从导体相变为绝缘体，以防止金属离子从所述集电器溶解到所述阳极中。