[发明专利]电解质处理系统及方法

说明书

一种用于去除在电化学电池中使用的非水性电解质中的杂质的装置、系统和方法。所述装置包括具有一个或多个腔室的容器以及位于所述一个或多个腔室内的无机清除剂，所述腔室具有配置为允许电解质通过所述一个或多个腔室的流动的入口和出口。所述无机清除剂包括一种或多种类型的沸石颗粒、至少一种类型的吸附性填料颗粒、或沸石颗粒和吸附性填料颗粒的组合。所述无机清除剂吸附所述非水性电解质中作为杂质存在的水分、游离的过渡金属离子或氟化氢(HF)中的一种或多种。

技术领域

本发明总体上涉及去除在诸如锂离子二次电池组(battery)的电化学电池(cell)中使用的电解质中存在的HF、水分或其他杂质的无机清除剂。更具体地，本公开涉及使用沸石颗粒和吸附性填料颗粒的混合物作为无机清除剂的装置和系统以及方法。

背景技术

本部分中的陈述仅提供涉及本公开的背景信息，并不构成现有技术。

锂离子二次电池电池组的一个主要优点是它们在变得无效之前可多次充电。锂离子二次电池组进行多次充放电循环的能力源于发生的氧化还原反应的可逆性。锂离子二次电池组由于其高能量密度而被广泛用作许多便携式电子设备(如手机、笔记本电脑等)、电动工具、电动汽车和电网储能的能源。

然而，存在可以导致锂离子二次电池组的性能下降的多种因素。这些因素之一是非水性电解质中多种有害物质的存在。这些有害物质包括水分(例如水或水蒸气)、氟化氢(HF)和溶解的过渡金属离子(TMⁿ⁺)。

电解质中的水分主要作为制造残留物产生和由有机电解质的分解产生。尽管需要干燥的环境，但在电池组或电池组电池的生产中使用的传统制造工艺不能完全排除水分的存在。电解质中的有机溶剂倾向于分解产生CO₂和H₂O，尤其是当电池组在高温下运行时。水(H₂O)可以与锂盐如LiPF₆反应，导致氟化锂(LiF)和氟化氢(HF)的生成。由锂离子电池组中存在的水分残留物发生的反应如方程式1)和方程式2)所示，其中M代表通常存在于正极材料中的过渡金属。

不可溶的氟化锂(LiF)可以沉积在阳极或阴极的活性材料的表面上，形成固体电解质界面(SEI)。这种固体电解质界面(SEI)会减少或延迟锂离子嵌入(脱嵌)并使活性材料的表面失活，从而导致较差的倍率性能和/或容量损失。

此外，当氟化氢(HF)存在时，其可能会侵蚀含有过渡金属和氧离子的正极，导致形成更多的水和在组成上与活性材料不同的过渡金属化合物。当水存在并用作反应物时，发生的反应可能会变成循环的，导致对电解质和活性材料的持续破坏。

此外，形成的过渡金属化合物可能是不可溶的和电化学惰性的。这些过渡金属化合物可以停留在正极的表面上，从而形成固体电解质界面(SEI)或钝化层。另一方面，任何可溶的过渡金属化合物都可以溶解到电解质中，产生过渡金属离子(TMⁿ⁺)。这些游离的过渡金属离子，例如Mn²⁺和Ni²⁺，可以向阳极移动，在那里它们可以沉积为SEI，导致引入多种不同的反应。这些反应可以消耗电极的活性材料和电解质中存在的锂离子，也会导致锂离子二次电池组的容量损失。

在运行过程中，希望锂离子二次电池组表现出的库仑效率或电流效率和放电容量保持相对恒定。库仑效率描述了电子在电池组内传输的充电效率。放电容量代表可以从电池组中提取的电荷量。锂离子二次电池组可能由于长时间暴露于水分(例如水)、氟化氢(HF)和溶解的过渡金属离子(TMⁿ⁺)而经受容量和/或效率的退化。事实上，一旦20％或更多的原始可逆容量丢失或变得不可逆，锂离子二次电池组的寿命就会受到严重限制。延长锂离子二次电池组的可充电容量和整体寿命的能力可以降低更换成本并减少处理和回收的环境风险。

发明内容