[发明专利]具有快速充电能力和高能量密度的可再充电锂离子电池组化学

说明书

提供一种可再充电锂离子电池组，其包括正极，所述正极包括在充电状态下包括原硅酸锂铁(II)（Li₂FeSiO₄）和在放电状态下包括FeSiO₄或LiFeSiO₄的正极电活性材料。负极包括磷烯。将隔离件布置在正极与负极之间。电解质具有尤其含有醚基有机溶剂的有机溶剂和锂盐，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。这样的可充电锂离子电池组提供有利的动力输送、长行驶距离和快速充电以增进电池组的广泛使用，尤其是在车辆中。此外，甚至在低温充电下，也可最小化或避免析锂。还提供了在低温下将可充电锂离子电池组再充电的方法。

引言

这一节提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。

高能量密度电化学电池，如锂离子电池组可用于各种消费品和车辆，如混合动力汽车或电动汽车。电池组驱动车辆表现出作为交通工具选择的前景，因为电池组电量、寿命和成本持续取得技术进步。有可能限制电池组驱动车辆的更广泛接受度和应用的一个因素是可能有限的行驶距离，尤其是在应用的早期阶段，此时充电站还不像现在的加油站那样普遍存在。希望提供能够提供更长行驶距离和更短充电时间的电池组。此外，电池组驱动车辆经常需要在极端天气状况中，例如在北方冬季天气中的低温下运行。

面对这些要求，找到满足能量和动力要求的经济的电池组化学是一个挑战。长期以来一直需要在提供有利的动力输送、长行驶距离和快速充电的同时具有避免或最小化使用昂贵金属，如钴和其它贵金属的化学的电池组，以增进电池组的广泛使用，尤其是在车辆中。

概述

这一节提供本公开的一般概述并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。

本发明涉及以下内容：

[1]. 一种可再充电锂离子电池组，其包括：

正极，所述正极包含在充电状态下包含Li₂MSiO₄和在放电状态下包含MSiO₄或LiMSiO₄的正极电活性材料，其中M包含选自铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、镁(Mg)及其组合的金属；

包含磷烯的负极；

布置在正极与负极之间的隔离件；和

包含有机溶剂和锂盐的电解质，其提供传导介质以在正极和负极之间传递锂离子。

[2]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述金属是第一金属以使M包含第一金属(MI)并进一步包含选自锆(Zr)、铪(Hf)、钛(Ti)及其组合的第二金属(MII)掺杂剂。

[3]. 根据[2]的可再充电锂离子电池组，其中M = MI_x + MII_y，其中x大于或等于大约0.75且y小于或等于大约0.25。

[4]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述负极进一步包含与磷烯混合的导电碳粒子。

[5]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述有机溶剂包含有机醚化合物，其选自：四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甘醇二甲醚（二甲氧基乙烷（DME））、二甘醇二甲醚（二乙二醇二甲基醚）、三甘醇二甲醚（三(乙二醇)二甲基醚）、1,3-二甲氧基丙烷（DMP）及其组合。

[6]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其中所述正极不含钴并且不含镍。

[7]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其具有大于或等于大约250 Wh/kg和大于或等于大约600 Wh/L的能量密度。

[8]. 根据[1]的可再充电锂离子电池组，其具有大于或等于大约350 Wh/kg和大于或等于大约900 Wh/L的能量密度。