[发明专利]锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池，其包括正极、负极、隔板和电解质以及容纳这些组件的电池壳体，其特征在于，正极、负极、隔板或位于所述电池壳体中并且不同于所述电解质的任何其他存储器包含一种或多种有机或无机硝酸酯或一种或多种有机或无机亚硝酸酯，并且所述负极包含相对于硅颗粒的总重量硅含量≥90wt％的硅颗粒。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，其包含含有硅颗粒的负极(anode)以及有机或无机的硝酸酯(盐)(nitrate)或亚硝酸酯(盐)(nitrite)，并且还涉及生产该锂离子电池的方法。

背景技术

目前，可再充电锂离子电池是最实用的电化学储能器，其具有例如至多250Wh/kg的最高重量能量密度。石墨碳广泛用作负电极(“负极，阳极(anode)”)的活性材料。然而，石墨的电化学容量理论上最高为372mAh/g。推荐使用硅作为具有更高电化学容量的活性负极材料。硅在结合和释放锂时不利地经历最高达300％的体积变化。因此，硅颗粒经受高的机械应力，这可能最终导致它们破裂。该过程也被称为电化学研磨，并且导致电极中活性材料的电接触丧失，并因此导致电极容量损失。在多个充电和放电循环过程中容量的降低也称为连续容量损失或褪变，并且通常是不可逆的。另一个问题是硅对电解质组分的反应性。因此，在硅表面上会形成钝化保护层(固体电解质界面；SEI)，这导致锂固定，从而限制电池的容量。这种SEI首先在含硅锂离子电池的首次充电时形成，这导致初始容量损失。在锂离子电池的进一步操作期间，在每个充电和放电循环中会发生硅颗粒的体积变化，因此，新鲜的硅表面被暴露，而这些硅表面进而与电解质的组分反应并形成另外的SEI。这也导致锂固定，并因此导致容量连续不可逆损失。

锂离子电池经常包含环状/脂族碳酸酯，例如，US 7476469中提到的碳酸甲酯或碳酸乙酯作为电解质中的主要组分。在石墨负极的情况下，通常将成膜添加剂如碳酸亚乙烯酯(VC)添加到电解质中，以提高电池的功率。在含硅的负极的情况下，经常将碳酸氟代亚乙酯(fluoroethylene carbonate)(FEC)添加到电解质中，以使SEI稳定，而防止硅活性材料在锂离子电池的充电和放电期间的体积变化。US 2017033404、US 20180062201、WO 2017/EP080808(申请号)或WO 2018/065046也教导了电解质添加剂如硝酸酯(盐)的使用。DE102013210631教导了将除了硝酸锂之外的含芴环状碳酸酯添加到电解质中。

US 2014170478和JP 2005197175涉及包含锂金属作为负极的电池。为了抑制在锂金属表面上形成锂树枝状物，将含氮化合物如无机硝酸盐添加到电池中。然而，US2014170478和JP 2005197175的负极不包含任何硅颗粒。锂金属负极和含硅颗粒的负极在技术上与完全不同的问题关联。US 2002094480推荐将亚硝酸酯(盐)用作包含碱金属(合金)的负极的添加剂。

US 2006222944描述了具有硅(合金)作为活性负极材料的锂离子电池，该活性负极材料以薄膜形式直接施加于电源输出引线，并且为此目的推荐添加各种添加剂，如硝酸酯(盐)。然而，US 2006222944的活性负极材料仅具有与电解质的相当有限的接触，使得这种方法不能与其中嵌入硅颗粒的负极涂层相比。WO 17047030描述了通过含硝酸酯(盐)的电解质的电解将硝酸锂引入电池。WO 17047030的负极包含SiOx(0.5≤x≤1.6)的含锂硅化合物。

鉴于此背景，本发明的目的是提供一种具有包含硅颗粒的负极的锂离子电池，该电池具有高的初始可逆容量和稳定的电化学行为，在随后的循环中可逆容量的降低(退变)非常小。

发明内容

本发明提供了一种锂离子电池，其包括正极、负极、隔板和电解质以及容纳上述组件的电池壳体，其特征在于，正极、负极、隔板或存在于所述电池壳体中并与所述电解质不同的另一存储器包含一种或多种有机或无机硝酸酯(盐)或一种或多种有机或无机亚硝酸酯(盐)，并且所述负极包含具有基于该硅颗粒总重量≥90wt％的硅含量的硅颗粒。