專利名稱：電極中的鋰金屬分散體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高比容量的二次電池，并尤其涉及包括基質(zhì)材料和分散在基質(zhì)材料中的鋰金屬的電極。
背景技術(shù)：
鋰和鋰離子二次或可再充電電池已應用于某些應用如在蜂窩式電話、便攜式攝像機和膝上計算機中，甚至在最近，用在大功率應用中如在電動車和混合機車中。在這些應用中，優(yōu)選二次電池具有盡可能高的比容量，但仍能提供安全的操作條件和良好的循環(huán)能力，以便在以后的再充電和放電循環(huán)中保持高比容量。
盡管存在各種二次電池結(jié)構(gòu)，但每種結(jié)構(gòu)都包括正極(或陰極)、負極(或陽極)、隔開陰極和陽極的隔板，和與陰極和陽極電化學連通的電解質(zhì)。對于二次鋰電池，當二次電池正放電即用于其特定應用時，鋰離子通過電解質(zhì)從陽極轉(zhuǎn)移到陰極。在放電過程中，電子從陽極被收集，并通過外部電路轉(zhuǎn)到陰極。當二次電池正被充電或再充電時，鋰離子通過電解質(zhì)從陰極轉(zhuǎn)移到陽極。
歷史上，使用具有高比容量的非鋰化化合物如TiS2、MoS2、MnO2和V2O5作為陰極活性材料制造二次鋰電池。這些陰極活性材料與鋰金屬陽極結(jié)合在一起。當二次電池放電時，鋰離子通過電解質(zhì)從鋰金屬陽極轉(zhuǎn)移到陰極。不幸的是，當循環(huán)時，鋰金屬形成最終導致電池中不安全狀態(tài)的樹枝狀晶體。結(jié)果，在支持鋰離子電池的20世紀90年代早期停止了這些類型二次電池的生產(chǎn)。
鋰離子電池一般使用鋰金屬氧化物如LiCoO2和LiNiO2作為與碳基陽極結(jié)合的陰極活性材料。在這些電池中，避免了陽極上鋰樹枝狀晶體形成，從而使電池更安全。但是，其量決定電池容量的鋰全部從陰極供應。這限制了陰極活性材料的選擇，因為活性材料必須包含可移動的鋰。另外，在充電和過充電過程中形成的與LiCoO2和LiNiO2對應的脫鋰化產(chǎn)物(充電中例如LixCoO2和LixNiO2，其中0.4＜x＜1.0)(過充電中即LixCoO2和LixNiO2，其中x＜0.4)是不穩(wěn)定的。尤其是這些未鋰化產(chǎn)物往往與電解質(zhì)反應并產(chǎn)生熱，這使安全性問題出現(xiàn)。
此外，新的鋰離子單電池或電池組最初處于放電狀態(tài)。在鋰離子電池的第一次充電過程中，鋰在電極間移動，例如從陰極材料如LiCoO2和LiNiO2到陽極材料如石墨。從陰極移動到陽極的鋰與電池中的電解質(zhì)材料反應，導致陽極上鈍化薄膜的形成。陽極上形成的鈍化薄膜為固體電解質(zhì)界面或SEI。在隨后放電時，形成SEI消耗的鋰不會返回到陰極。這導致鋰離子電池具有與最初充電量相比較小的容量，因為部分鋰由于形成SEI被消耗?？捎娩嚨南臏p小了鋰離子電池的容量。這種現(xiàn)象被稱為不可逆容量，并已知消耗約10％-20％的鋰離子電池容量。因此，在鋰離子電池的初次放電后，鋰離子電池失去約10％-20％的容量。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰，并更特別地涉及用于這種系統(tǒng)的電極。本發(fā)明還涉及電池或電化學電池，它們包括具有分散在基質(zhì)材料中的鋰金屬的電極，其中基質(zhì)材料能在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰。使用根據(jù)本發(fā)明實施方案的電極的電池和/或電化學電池能表現(xiàn)出高比容量、良好的循環(huán)能力和提高的運行安全性。
對本發(fā)明來說，應理解術(shù)語“電池”可指并包括本領(lǐng)域那些技術(shù)人員已知的單個電化學電池、或單電池、和/或串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的一個或多個電化學電池。此外，術(shù)語“電池”包括但不限于可再充電電池和/或二次電池和/或電化學電池。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的電池可包括包含活性材料的正極(陰極)、包含能在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰的基質(zhì)材料以及分散在基質(zhì)材料中的鋰金屬的負極(陽極)、隔開陰極和陽極的隔板以及與陰極和陽極連通的電解質(zhì)。優(yōu)選地，陰極活性材料是能在對鋰的電化學勢為2.0V-5.0V下被鋰化的化合物。例如，陰極活性材料可基于錳、釩、鈦或鉬，如MnO2、V2O5、V6O13、LiV3O8、MnO3、TiS2或MoS2，或它們的混合物。陰極活性材料可包括鋰金屬，如與可被鋰化的陰極活性材料如MnO2、V2O5、V6O13、LiV3O8、MnO3、TiS2或MoS2或其混合物結(jié)合的鋰粉末。陽極基質(zhì)材料可包括選自以下的一種或多種材料碳質(zhì)材料、Si、含硅材料如分散在碳中的硅、硅氧化物、Sn、錫氧化物、復合錫合金和金屬互化物、過渡金屬氧化物、鋰金屬氮化物和鋰金屬氧化物。優(yōu)選地，陽極基質(zhì)材料包含碳質(zhì)材料，并更優(yōu)選包含石墨。分散在基質(zhì)材料中的至少部分鋰金屬優(yōu)選為細分散的鋰粉末，在其它實施方案中，細分散的鋰粉末具有小于約20微米的平均粒度。分散在陽極中的鋰金屬量優(yōu)選不超過足以在陽極基質(zhì)材料中插層、與其合金化和/或被其吸收的最大量。例如，如果基質(zhì)材料為碳，則分散在基質(zhì)材料中的鋰量優(yōu)選不超過生成LiC6所需要的量。但是，在電極或陽極形成前可在基質(zhì)材料中分散額外的鋰以促進基質(zhì)材料的預鋰化。電解質(zhì)和隔板可為單獨的材料，如多孔隔板和流體電解質(zhì)，或可包括單一結(jié)構(gòu)或材料，如既用作隔板又用作電解質(zhì)的膠質(zhì)聚合物。
本發(fā)明的實施方案還包括制備電池用電極的方法，包括提供能在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰的基質(zhì)材料，在基質(zhì)材料中分散鋰金屬，和將基質(zhì)材料和分散在其中的鋰金屬形成為電極，例如陽極。在一些實施方案中，可通過混合和/或使用熱和/或壓力使基質(zhì)材料與鋰金屬結(jié)合以促進基質(zhì)材料的鋰化來預鋰化基質(zhì)材料。鋰金屬和基質(zhì)材料優(yōu)選與粘合劑聚合物和至少一種溶劑混合到一起形成漿料。將漿料施加到集電器上并干燥形成電極?；蛘?，利用化學方式通過將基質(zhì)材料浸在鋰金屬在非水液體中的懸浮液中，然后將基質(zhì)材料形成為電極來形成電極。
在本發(fā)明的其它實施方案中，基質(zhì)材料可在被用于形成電極前在熔融鋰金屬中被鋰化。基質(zhì)材料被分散到它被鋰化的熔融鋰金屬內(nèi)。固態(tài)的鋰化基質(zhì)材料可與熔融鋰金屬分開，并用于形成根據(jù)本發(fā)明實施方案的電極。
根據(jù)本發(fā)明的其它實施方案，在用于形成電極的基質(zhì)材料內(nèi)不必包括鋰金屬粉末。可通過層壓、退火或以其它方式附著或嵌入鋰箔或鋰網(wǎng)到預先制造的電極中來形成能鋰化和脫鋰化的電極。在附著鋰金屬箔或網(wǎng)之前，電極可包括或不包括鋰金屬。
本發(fā)明還包括操作電池的方法。提供充電狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明部分實施方案的電池。該電池優(yōu)選處于完全充電狀態(tài)，該電池中存在的全部可移動鋰都在電池陽極中。通過電解質(zhì)或電解質(zhì)/隔板組合將鋰離子從陽極輸送到陰極來使電池放電。通過電解質(zhì)將鋰離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽極使電池充電或再充電，然后再通過將鋰離子從陽極輸送到陰極來放電。充電和放電步驟可進行多次循環(huán)，同時保持陰極活性材料的高比容量和保持安全操作條件。
在其它實施方案中，可提供如常規(guī)鋰離子電池已知的未充電狀態(tài)的電池。鋰金屬可提供在陽極和陰極中。例如，傳統(tǒng)鋰離子電池的陽極可被根據(jù)本發(fā)明實施方案的包括鋰和/或部分或完全鋰化基質(zhì)材料的陽極代替。引入電解質(zhì)到電池內(nèi)促進了電解質(zhì)和陽極中鋰金屬之間的反應，在陽極處形成固體電解質(zhì)界面(SEI)。第一次為電池充電可加速SEI的形成。由陽極中的鋰金屬形成SEI可減少和/或消除因陰極鋰的SEI消耗造成的不可逆容量損失產(chǎn)生的電池容量損失。
當考慮下面的詳細描述和附圖時，本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員將更容易看出本發(fā)明的這些和其它特征，詳細描述和附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案和可選實施方案。
附圖簡述當結(jié)合附圖閱讀時，從本發(fā)明的以下描述中可更容易地確定本發(fā)明，其中

圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的包括陰極、陽極、隔板和電解質(zhì)的簡化二次電池結(jié)構(gòu)；圖2圖示了環(huán)己烷、鋰和乙烯丙烯二烯三元共聚物的反應系統(tǒng)篩選工具(Reactive System Screening Tool)試驗結(jié)果；圖3圖示了具有鋰粉末的二甲基丙烯脲的反應系統(tǒng)篩選工具試驗結(jié)果；圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明實施方案的電極；和圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明實施方案的電極。
發(fā)明詳述在附圖和下細描述中，詳細描述本發(fā)明的實施方案以能實施本發(fā)明。盡管參考這些具體的實施方案描述本發(fā)明，但應認識到本發(fā)明不限制于這些實施方案。本發(fā)明包括大量可選方案、變更和等價物，這在考慮下面的詳細描述和附圖時將變得明顯。
如圖1所示，本發(fā)明的實施方案涉及包括正極或陰極12、負極或陽極14和材料16的電池10。材料16可包括用于分開陰極12和陽極14的隔板。材料16還可包括與陰極12和陽極14電化學連通的電解質(zhì)。電池10還包括與陰極12電接觸的集電器20和與陽極14電接觸的集電器22。集電器20和22可通過外部電路(未示出)彼此電接觸。電池10可具有本領(lǐng)域中已知的任何構(gòu)造，如“果凍卷”、堆疊構(gòu)造等。盡管結(jié)合陽極和陰極說明本發(fā)明的各種實施方案，但應認識到本發(fā)明的實施方案通常適用于電極，并不限制于陽極或陰極。
陰極12由活性材料形成，活性材料一般結(jié)合有碳質(zhì)材料和粘合劑聚合物。陰極12的活性材料優(yōu)選為能在有效電壓(例如對鋰2.0V-5.0V)下被鋰化和/或脫鋰化的材料。優(yōu)選地，可使用基于錳、釩、鈦或鉬的非鋰化材料如MnO2、V2O5、V6O13、MnO3、TiS2或MoS2或它們的混合物作為活性材料。更優(yōu)選地，使用MnO2作為陰極活性材料。但是，鋰化材料也可用于形成陰極12。例如可使用LiMn2O4或LiV3O8。另外，活性材料可為與鋰混合的材料。例如，活性材料可與鋰粉末混合。
非鋰化活性材料優(yōu)選作為陰極12活性材料，因為它們通常具有比鋰化活性材料高的比容量，并能提供比包括鋰化活性材料的電池高的功率。此外，因為陽極14包括鋰，所以陰極12不需要包括鋰化材料用于運作電池10。陰極12中提供的活性材料量優(yōu)選足以接受陽極14中存在的可移動鋰。例如，如果MnO2為陰極12活性材料，則對于陽極14中每摩爾鋰，陰極12中優(yōu)選存在1摩爾MnO2，以在放電時在陰極12中產(chǎn)生LiMnO2。
電池中循環(huán)的可移動鋰可由陽極14提供，并可在完全充電狀態(tài)下裝配或制備電池。在完全充電狀態(tài)下制備電池允許使用能被鋰化形成陰極12的非鋰化活性材料。在其它實施方案中，鋰粉末可與能被鋰化形成陰極12的非鋰化活性材料混合以在電池中提供放電陰極。盡管如此，陰極12還可包括少量在2.0V和5.0V之間的電壓下不會再吸收鋰的一種或多種鋰化活性材料(如LiCoO2和LiNiO2)，還可提供處于初始充電狀態(tài)的電池。陰極12還可包括鋰金屬(如鋰粉末)。陰極優(yōu)選具有小于50％(摩爾)和更優(yōu)選小于10％(摩爾)的鋰化材料(如LiCoO2、LiNiO2或鋰粉末)作為活性材料。由于LiCoO2和LiNiO2在超過2.0V時不再進一步吸收鋰，因此陰極12中這些材料的存在不會減少接受陽極14的可移動鋰需要的陰極活性材料量。
陽極14可由能在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰的基質(zhì)材料24和分散在基質(zhì)材料中的鋰金屬26形成。例如，當電池(尤其是陽極14)被再充電時，陽極14中存在的鋰可在基質(zhì)材料24中插層、與其形成合金或被其吸收。基質(zhì)材料24包括能在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰的材料，如碳質(zhì)材料；含硅材料，Sn，錫氧化物或復合錫合金和金屬互化物；過渡金屬氧化物如CoO；鋰金屬氮化物如Li3-xCoxN，其中0＜x＜0.5，和鋰金屬氧化物如Li4Ti5O12。優(yōu)選地，基質(zhì)材料24包括石墨。另外，基質(zhì)材料24可包括少量碳黑(例如小于5wt％)作為導電劑。鋰金屬26優(yōu)選作為細分散的鋰粉末提供在陽極14中。更優(yōu)選地，鋰金屬26具有小于約20微米的平均粒度，甚至更優(yōu)選小于約10微米，但也可使用較大的粒度。鋰金屬可作為引火粉末或作為穩(wěn)定低引火粉末，例如，通過用CO2處理鋰金屬粉末提供。
陽極14能在相對于鋰金屬從大于0.0V到小于或等于1.5V的電化學勢下可逆地鋰化和脫鋰化。如果對鋰的電化學勢為0.0V或更低，則鋰金屬在充電過程中將不能再進入陽極14?；蛘?，如果對鋰的電化學勢大于1.5V，則電池電壓將不合需要的低。優(yōu)選地，陽極14中存在的鋰金屬26量不超過足以在電池被再充電時在陽極14基質(zhì)材料24中插層、與其合金化或被其吸收的最大量。例如，如果基質(zhì)材料24為石墨，則鋰26的量優(yōu)選不超過足夠生成LiC6的量。換句話說，陽極中鋰與碳的摩爾比優(yōu)選不超過1∶6。但是，在其它實施方案中，陽極14中的基質(zhì)材料24可被預鋰化，從而鋰與碳或基質(zhì)材料24的總比例大于1∶6。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，陽極14可通過以下來制備提供能在電化學系統(tǒng)中吸收和解吸鋰的基質(zhì)材料24，在基質(zhì)材料24中分散鋰金屬26，和將基質(zhì)材料24和分散在其中的鋰金屬26形成陽極14?；|(zhì)材料24還可在陽極14形成前被預鋰化。優(yōu)選地，鋰金屬26和基質(zhì)材料24與非水液體和粘合劑混合，并形成漿料。然后使用漿料形成陽極14，例如，通過用漿料涂覆集電器22，然后干燥漿料。
通過結(jié)合鋰金屬粉末、細顆粒基質(zhì)材料、粘合劑聚合物和溶劑形成漿料來形成根據(jù)本發(fā)明實施方案的陽極14或其它類型電極。漿料可被涂覆在集電器上并干燥形成陽極14。例如，鋰金屬粉末可與細顆粒基質(zhì)材料如中碳微珠(MCMB)、石墨、碳黑或其它鋰離子陽極材料結(jié)合形成混合物。粘合劑聚合物和溶劑可與該混合物結(jié)合形成所需的漿料。為了形成陽極14，漿料可被涂覆在集電器如銅箔或網(wǎng)上，并使其干燥。集電器上干燥的漿料(它們共同形成電極)被擠壓以形成陽極14。干燥后電極的擠壓使電極致密化，從而活性材料可適應陽極14的容積。電極的擠壓一般涉及使電極通過一對或一系列成對的在兩輥間具有預定間隙的拋光輥，或通過使用另外的擠壓技術(shù)。還可用預定壓力進行擠壓。干燥的漿料和集電器組合提供陽極14。
在本發(fā)明的一些實施方案中，可能需要預鋰化基質(zhì)材料24。對于本發(fā)明，術(shù)語“預鋰化”在結(jié)合基質(zhì)材料24一起使用時是指基質(zhì)材料與電解質(zhì)接觸之前基質(zhì)材料24的鋰化?；|(zhì)材料的預鋰化可減少由電極中鋰金屬粉末顆粒與電解質(zhì)之間的不可逆反應引起的電池不可逆容量損失，該不可逆反應與基質(zhì)材料的鋰化同時進行。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的基質(zhì)材料24的預鋰化優(yōu)選通過使基質(zhì)材料24與鋰金屬接觸發(fā)生。例如，可使基質(zhì)材料24與干鋰金屬粉末或懸浮在流體或溶液中的鋰金屬粉末接觸。鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24之間的接觸使基質(zhì)材料鋰化，借此預鋰化基質(zhì)材料24。
在一些實施方案中，基質(zhì)材料24和干鋰金屬粉末被混合到一起，從而至少部分基質(zhì)材料24與至少部分鋰金屬粉末接觸?？衫脧娏覕嚢杌蚱渌鼣噭哟龠M基質(zhì)材料24和鋰金屬粉末之間的接觸。鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24之間的接觸導致基質(zhì)材料24的部分鋰化，形成預鋰化的基質(zhì)材料24。
基質(zhì)材料24的預鋰化可在室溫下進行。但是，在本發(fā)明的各種實施方案中，基質(zhì)材料24的預鋰化在約40℃以上的溫度下進行。在室溫以上或約40℃以上的溫度下進行的預鋰化增加了鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24之間的相互作用和/或擴散，增加了在給定時段內(nèi)可被鋰化的基質(zhì)材料24的量。
當暴露于室溫以上的溫度時，鋰金屬粉末變得更軟和/或更有延展性。當與其它物質(zhì)混合時，較軟的鋰金屬粉末與和它混合的物質(zhì)接觸更多。例如，正被攪動的鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物之間的相互作用和/或擴散與如果混合物的溫度被提高到室溫以上相比時，在室溫下較小。增加鋰金屬粉末和活性物質(zhì)如基質(zhì)材料24之間的接觸增加了活性物質(zhì)的鋰化量。因此，通過提高鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物的溫度，兩種物質(zhì)之間的相互作用和/或擴散增加，這又增加了基質(zhì)材料24的鋰化。
在本發(fā)明的某些實施方案中，提高鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物的溫度以促進基質(zhì)材料24的鋰化。該混合物的溫度優(yōu)選保持在或低于鋰的熔點。盡管提高的溫度促進了鋰化，但粉末形式的鋰金屬優(yōu)選用于這類鋰化反應。例如，鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物的溫度可提高到約180℃或以下以促進基質(zhì)材料24的鋰化。更優(yōu)選地，鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物的溫度可提高到約40℃和約150℃之間以促進基質(zhì)材料24的鋰化。以這種方式鋰化的基質(zhì)材料24產(chǎn)生預鋰化的基質(zhì)材料24。
在其它實施方案中，基質(zhì)材料24被引入到含鋰金屬粉末的溶液中。該溶液可包括例如礦物油和/或其它溶劑或液體，它們在溶液中優(yōu)選對鋰金屬粉末為惰性的或非反應性的。當與該溶液混合時，優(yōu)選以一定方式攪動該溶液以促進基質(zhì)材料24和鋰金屬粉末之間的接觸?；|(zhì)材料24和鋰金屬粉末之間的接觸促進了基質(zhì)材料24的鋰化，產(chǎn)生可用于形成電極的預鋰化基質(zhì)材料24。
在本發(fā)明的其它實施方案中，鋰從鋰金屬粉末以外的源引入到電極中。基質(zhì)材料24可在熔融鋰金屬中被鋰化。加入粉狀基質(zhì)材料24或基質(zhì)材料24的顆粒到熔融鋰金屬中促進了基質(zhì)材料24和鋰金屬之間的接觸，導致基質(zhì)材料24的鋰化?；|(zhì)材料24和熔融鋰金屬混合物的攪動進一步促進了基質(zhì)材料24的鋰化。得到的鋰化基質(zhì)材料24為可與熔融鋰金屬分開的固體，用于利用類似于本文所述那些的方法制造電極。
例如，粉狀石墨可與熔融鋰金屬混合，使得熔融鋰金屬基本潤濕粉狀石墨。粉狀石墨和熔融鋰金屬之間的接觸導致粉狀石墨的部分鋰化。粉狀石墨和熔融鋰金屬的混合物的進一步攪動促進了粉狀石墨和熔融鋰金屬之間的接觸，導致粉狀石墨的鋰化。可使用從液體中除去固體的已知方法如通過過濾、旋液分離等從熔融鋰金屬中除去固態(tài)的鋰化石墨顆粒。得到的產(chǎn)物為可用于制造電極如陽極和陰極的鋰化粉狀石墨材料。
在基質(zhì)材料鋰化發(fā)生于熔融鋰金屬的那些實施方案中，可使用本發(fā)明的電極形成方法將鋰化的粉狀基質(zhì)材料24形成為電極。在使用鋰化的粉狀基質(zhì)材料24時，可能電極中不再需要額外鋰粉末，除非根據(jù)電解質(zhì)的選擇，在鋰化的基質(zhì)材料和電解質(zhì)之間發(fā)生最初的鈍化反應外。因此，可使用鋰化的粉狀基質(zhì)材料24代替本發(fā)明各種實施方案中的基質(zhì)材料24和鋰金屬粉末。盡管當由鋰化的粉狀基質(zhì)材料24形成電極時可能不需要額外的鋰金屬粉末，但如果需要也可加入鋰金屬粉末，例如，以補償在鋰化基質(zhì)材料和電解質(zhì)之間的最初鈍化反應中損失的任何鋰。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，電極可由預鋰化的基質(zhì)材料24形成。從本文描述的混合物或溶液中回收的預鋰化基質(zhì)材料24可被分離并用于形成電極。或者，可使用包含部分預鋰化基質(zhì)材料24的混合物或溶液形成電極，而不分離預鋰化基質(zhì)材料24。
對于要使用基質(zhì)材料24的特定應用，可調(diào)整基質(zhì)材料24內(nèi)的預鋰化量。預鋰化基質(zhì)材料24可包括在0％-100％之間的預鋰化百分率。換句話說，基質(zhì)材料24可被完全鋰化或只有部分被鋰化。根據(jù)本發(fā)明實施方案形成的電極優(yōu)選包括預鋰化基質(zhì)材料24。
使用根據(jù)本發(fā)明實施方案的預鋰化基質(zhì)材料24形成電極需要的鋰量可隨基質(zhì)材料24中出現(xiàn)的預鋰化量變化?；|(zhì)材料24中的預鋰化量越大，電極中需要的鋰越少。例如，如果陽極的基質(zhì)材料24被預鋰化使得要鋰化的基質(zhì)材料24的90％已被鋰化，則形成陽極只需要較少量的鋰。
還可利用壓力完成基質(zhì)材料24的預鋰化。施加壓力到鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物增加了鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24之間的接觸，借此促進了基質(zhì)材料24的鋰化。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，擠壓鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物以促進鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24之間的接觸?？墒褂檬┘訅毫Φ轿镔|(zhì)或化合物的各種方法擠壓混合物。由于壓力而增加的接觸促進了基質(zhì)材料24的鋰化。
在本發(fā)明的其它實施方案中，施加壓力到鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24的混合物以促進基質(zhì)材料24的鋰化。壓力可通過例如壓延和/或使用結(jié)合有預制能力的沖?；蛉魏纹渌椒▉硎┘?，其選擇在本領(lǐng)域技術(shù)人員的技能范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，混合鋰金屬粉末和石墨(基質(zhì)材料)并擠壓以確定混合物是否經(jīng)歷任何變化。在這些試驗中，混合物在擠壓后表現(xiàn)出顏色變化。顏色變化預示著石墨或基質(zhì)材料24經(jīng)歷了鋰化。例如，鋰金屬粉末和石墨混合物的顏色從黑色變化到青銅色。擠壓材料的青銅色表現(xiàn)出與鋰化石墨相同的顏色。
在擠壓或施加壓力前，其它物質(zhì)也可與鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24混合。由擠壓或施加壓力引起的基質(zhì)材料24的鋰化可能受或不受這種材料存在的影響。例如，在擠壓或施加壓力前，鋰金屬26和基質(zhì)材料24可與粘合劑聚合物和/或?qū)щ妱┗旌?。施加壓力到混合物使基質(zhì)材料24鋰化。但是，優(yōu)選地，在加入任何漿料溶劑添加物或形成鋰金屬粉末、基質(zhì)材料24和其它成分的漿料前進行擠壓或壓力施加。
還發(fā)現(xiàn)基質(zhì)材料24的鋰化可由于電極形成過程中的擠壓過程發(fā)生。干燥漿料和集電器組合的擠壓引發(fā)了干燥漿料中基質(zhì)材料24的鋰化。擠壓產(chǎn)生的壓力促進了干燥漿料中鋰金屬粉末和基質(zhì)材料之間的接觸，導致基質(zhì)材料24的鋰化。還發(fā)現(xiàn)由擠壓引起的基質(zhì)材料24的鋰化導致在干燥涂層內(nèi)存在空隙空間。該空隙空間似乎是鋰化反應的副產(chǎn)物，例如，當與基質(zhì)材料24鋰化時由鋰留下的空間。但是，電極中過多空隙空間的存在是不合需要的，因為它降低了電極密度并因此降低電池能量密度。
由干燥漿料擠壓過程中發(fā)生的鋰化引起的空隙空間可通過對擠壓的干燥漿料進行二次擠壓過程來減少或消除。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，在二次擠壓過程中再擠壓已擠壓的干燥漿料和集電器組合來消除或減少由第一次擠壓產(chǎn)生的空隙空間。另外，二次擠壓壓實了干燥漿料，提高了擠壓的干燥漿料的密度。干燥漿料密度的提高增加了由干燥漿料和集電器組合形成的電極和/或電池的體積能量密度。體積和重量能量密度對電池都是重要的。盡管重量能量密度對大電池更重要，如在汽車中，但體積能量密度對小電池更重要，如在蜂窩式電話中。
例如，包括石墨基質(zhì)材料和鋰金屬粉末的漿料可被施加到集電器上。干燥后，對干燥的漿料進行擠壓過程。擠壓過程促進了干燥漿料中石墨的鋰化。石墨的鋰化導致干燥漿料內(nèi)空隙的形成。干燥漿料和集電器組合的二次擠壓減少了擠壓的干燥漿料中的空隙體積，并提高了干燥漿料的密度。得到的干燥漿料和集電器組合可用于形成具有鋰化基質(zhì)材料24的電極。
在本發(fā)明的其它實施方案中，可對施加到集電器的干燥漿料進行多次擠壓以促進干燥漿料中基質(zhì)材料24的鋰化，并減小由這種鋰化產(chǎn)生的空隙空間的體積。多次擠壓還增加了干燥漿料和集電器組合的密度，這提高了由干燥漿料和集電器組合形成的電極的體積能量密度。
在本發(fā)明的其它實施方案中，通過提高擠壓過程的溫度促進正被擠壓的干燥漿料中基質(zhì)材料的鋰化。由干燥漿料的擠壓或施加壓力到干燥漿料造成的干燥漿料中基質(zhì)材料的鋰化在室溫下較慢。為了在擠壓過程中加速干燥漿料中基質(zhì)材料的鋰化，可提高擠壓過程的溫度。
據(jù)信在擠壓過程中提高溫度軟化了干燥漿料中的鋰金屬粉末，從而增加了鋰金屬粉末與基質(zhì)材料24的接觸。鋰金屬粉末和基質(zhì)材料24之間增加的接觸促進了基質(zhì)材料24的鋰化。由于擠壓過程的溫度升高，促進了基質(zhì)材料24的鋰化。
另外，由擠壓過程溫度提高引起的鋰化加速有助于降低被擠壓的干燥漿料中的空隙體積。當干燥漿料中發(fā)生鋰化時，空隙出現(xiàn)。由擠壓過程溫度提高引起的鋰化加速增加了擠壓過程中干燥漿料內(nèi)在給定時間段內(nèi)形成的空隙量或體積。但是，當鋰化發(fā)生時，施加到干燥漿料的壓力減少或消除了空隙?？障犊臻g的減少提高了干燥漿料的密度。
與在室溫下被擠壓相同時間的干燥漿料相比，在高溫下擠壓的干燥漿料表現(xiàn)出更多的干燥漿料中基質(zhì)材料的鋰化。此外，在高溫下擠壓的干燥漿料表現(xiàn)出較高的密度，因為由較快速鋰化產(chǎn)生的空隙增加，和由擠壓過程的壓力引起的空隙減少。
在本發(fā)明的其它實施方案中，可通過層壓鋰金屬箔、網(wǎng)或其它片到具有基質(zhì)材料的電極形成具有鋰化基質(zhì)材料的電極，而不用加入鋰金屬粉末。層壓鋰金屬到電極上形成鋰金屬和電極中基質(zhì)材料之間的接觸。這種接觸導致基質(zhì)材料鋰化，尤其當用于電池中電解質(zhì)接觸材料時。
例如，包括基質(zhì)材料如石墨的電極410示于圖4。將鋰金屬箔420層壓到電極410上，在電極410的至少一部分上形成鋰金屬箔420層。鋰金屬箔420和基質(zhì)材料之間的接觸導致至少部分基質(zhì)材料鋰化，尤其在引入電解質(zhì)時。
可通過擠壓鋰金屬箔420到電極410內(nèi)實現(xiàn)鋰金屬箔420到電極410的層壓。由于鋰金屬箔相當軟，因此層壓過程可在室溫或在較高溫下進行。在層壓溫度超過室溫的那些情況下，電極410中基質(zhì)材料的鋰化可發(fā)生在層壓過程本身中，甚至可被加速。認為較高的溫度使鋰金屬箔420軟化，這增加了鋰金屬箔420和基質(zhì)材料之間的接觸量。鋰在較高溫度下增加的接觸和較高的擴散速度增加了基質(zhì)材料的鋰化。鋰金屬箔420可被層壓到電極410的溫度在約10℃和約150℃之間，優(yōu)選在約30℃和約120℃之間。
鋰金屬箔420被層壓至的電極410可包括或不包括預鋰化的基質(zhì)材料。具有未鋰化基質(zhì)材料的電極410中的基質(zhì)材料可通過層壓過程被鋰化。類似地，包括至少一些鋰化基質(zhì)材料的電極410中的基質(zhì)材料可使用本文描述的層壓過程進一步鋰化。
在本發(fā)明的其它實施方案中，鋰網(wǎng)430可被加入到預制的電極410中，如圖5所示。加入鋰網(wǎng)430類似于層壓鋰金屬箔420到電極410內(nèi)。鋰網(wǎng)430可被擠壓到電極410上或以其它方式層壓到電極410上。鋰金屬網(wǎng)430中的鋰金屬和電極410的基質(zhì)材料之間的接觸引發(fā)了基質(zhì)材料在鋰網(wǎng)接觸基質(zhì)材料處鋰化。鋰網(wǎng)430到電極410的層壓或附著可在室溫下或較高溫度下發(fā)生，如在約10℃和約150℃之間。
盡管鋰金屬網(wǎng)430和電極410的基質(zhì)材料之間的接觸可引發(fā)基質(zhì)材料的鋰化，但鋰化不是必需的。在使用鋰金屬網(wǎng)430附著其上的電極410形成電池的過程中，電解質(zhì)接觸鋰金屬網(wǎng)430并經(jīng)過鋰金屬網(wǎng)430到電極410內(nèi)。既與電極中的基質(zhì)材料又與鋰網(wǎng)接觸的電解質(zhì)構(gòu)成鋰離子在鋰金屬網(wǎng)430和基質(zhì)材料之間的傳遞路徑，這有助于電極410中基質(zhì)材料的鋰化。
本發(fā)明中對鋰網(wǎng)430的形狀和尺寸沒有限制。此外，應認識到可使用其它鋰金屬片作為替代物，取代本發(fā)明的鋰金屬箔420或鋰網(wǎng)430或與其聯(lián)用。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，可利用鋰金屬片到電極410的層壓引入鋰離子到包含基質(zhì)材料的預制電極內(nèi)。引入鋰導致的基質(zhì)材料鋰化可在層壓過程中或過程后如在電解質(zhì)引入過程中發(fā)生。
在本發(fā)明的另外一些實施方案中，可使用標準薄膜技術(shù)如熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射和激光燒蝕在預制電極的表面上沉積薄鋰層。在沉積過程中使用真空以避免原子鋰和鋰反應性物質(zhì)如水、氧和氮的分子之間的反應性。優(yōu)選地，需要大于1毫托(10E-03托)的真空。當使用電子束沉積時，需要10E-04托的真空，優(yōu)選10E-06托的真空，以避免電子束和任何殘余空氣分子之間的相互作用。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的蒸發(fā)沉積技術(shù)包括加熱鋰金屬產(chǎn)生鋰蒸汽。鋰金屬可通過電子束或通過在鋰金屬上或環(huán)繞其的電流電阻來加熱。鋰蒸汽沉積鋰到襯底如預制電極上。為了促進鋰金屬的沉積，襯底可被冷卻或保持在低于鋰蒸汽溫度的溫度下?？稍谝r底附近放置厚度監(jiān)測器如石英晶體型監(jiān)測器來監(jiān)測沉積的膜厚度。監(jiān)測器可為無源或有源的，其中它可被連接到反饋回路上，以在達到需要的沉積厚度時通過控制鋰蒸汽形成來控制鋰的沉積速度。
可使用激光燒蝕和濺射技術(shù)促進預制電極上的薄鋰膜生長。例如，可在濺射過程中使用氬離子轟擊固體鋰金屬靶。轟擊將鋰從靶上敲落并將其沉積到襯底的表面上?？墒褂眉す鉄g過程從鋰靶上敲落鋰。分離的鋰然后被沉積到襯底如預制電極上。
在使用沉積過程形成鋰膜后，可使合適的氣體如二氧化碳與鋰成層的電極接觸以在鋰層上形成鈍化層，這有利于在真空環(huán)境外部處理成層的電極。
在其它實施方案中，可在鋰沉積過程中為預制電極形成掩膜，使得沉積在預制電極上的鋰金屬以所需的圖案沉積?；蛘?，連續(xù)形成的膜可在沉積后壓出洞或開孔以允許電解質(zhì)進入電極，這有利于電極中基質(zhì)材料的鋰化。
本發(fā)明實施方案使用的粘合劑聚合物包括與陽極14中的鋰完全不反應的粘合劑聚合物。能保持陽極14形成過程中鋰穩(wěn)定性并能提供穩(wěn)定陽極14的粘合劑聚合物是優(yōu)選的。另外，粘合劑聚合物優(yōu)選在陽極14生產(chǎn)過程使用的溫度下溶于選擇的溶劑或助溶劑。本發(fā)明實施方案可使用的優(yōu)選粘合劑聚合物的一些例子包括聚偏二氟乙烯、乙烯丙烯二烯三元共聚物、乙烯丙烯二烯單體、乙烯丙烯酸、乙烯醋酸乙烯酯和丁苯橡膠。
本發(fā)明實施方案使用的溶劑在陽極14生產(chǎn)過程使用的溫度下必須也不與鋰金屬和粘合劑聚合物反應。優(yōu)選地，溶劑或助溶劑具有充分的揮發(fā)性以從漿料中容易地蒸發(fā)來促進施加到集電器上的漿料的干燥。例如，溶劑可包括脂肪烴、環(huán)烴、芳烴、對稱醚、不對稱醚和環(huán)醚。
本發(fā)明的各種實施方案使用的鋰金屬可作為鋰粉末提供。為了運輸過程中的穩(wěn)定性，鋰粉末可被處理或以其它方式調(diào)節(jié)。例如，按照慣例可在二氧化碳存在下形成干鋰粉末。本發(fā)明的各種實施方案可使用干鋰粉末?；蛘撸嚪勰┛稍趹腋∫褐行纬?，如在礦物油溶液或其它溶劑的懸浮液中。在溶劑懸浮液中形成鋰粉末可有利于產(chǎn)生較小的鋰金屬顆粒。在本發(fā)明的一些實施方案中，鋰粉末可在本發(fā)明各種實施方案使用的溶劑中形成。在溶劑中形成的鋰金屬粉末可在溶劑中運輸。此外，本發(fā)明的實施方案可使用鋰金屬粉末和溶劑混合物，這可從電極生產(chǎn)過程中去掉混合步驟，因為溶劑和鋰金屬粉末作為單一組分都可得到。這可降低生產(chǎn)成本，并允許本發(fā)明的實施方案使用更小或更細的鋰金屬粉末顆粒。
本發(fā)明的實施方案試驗了各種粘合劑聚合物和溶劑組合，以確定相容和穩(wěn)定的粘合劑聚合物-溶劑對。此外，試驗了由粘合劑聚合物-溶劑對形成的陽極14以確保相容性。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，適用于生產(chǎn)陽極14的優(yōu)選粘合劑聚合物-溶劑對列在表I中。
表I
應認識到，還可使用或組合其它粘合劑聚合物-溶劑對以形成根據(jù)本發(fā)明實施方案的漿料和陽極14。為確定本發(fā)明各種實施方案使用不同粘合劑聚合物、溶劑和粘合劑聚合物-溶劑對的可行性而進行的試驗的典型實施例描述在實施例1至3中。
實施例1-乙烯丙烯二烯三元共聚物和環(huán)己烷試驗包含環(huán)已烷、鋰粉末和乙烯丙烯二烯三元共聚物(NordelIP4570)的涂層溶液在所關(guān)心的溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性。該溶液由8.8ml環(huán)己烷、0.24g鋰粉末和0.127g乙烯丙烯二烯三元共聚物組成。使用反應系統(tǒng)篩選工具作為選擇的熱量計。在試驗中，室內(nèi)部的壓力使用氬氣設(shè)定在200psig，以使系統(tǒng)的試驗超出環(huán)己烷的沸點。在19℃-94℃的溫度范圍內(nèi)沒有檢測到自加熱。試驗的圖繪制在圖2中。環(huán)己烷在1atm下的沸點為80.7℃，因而超過該溫度檢測沒有必要，并在94℃下停止試驗。如圖2所示，在勻變過程中，儀器保持在0.5℃/分鐘的穩(wěn)態(tài)加熱速度。如果檢測到自加熱，則加熱速度將超過這個水平。在加熱期間，溫度趨勢是線性的，這預示著沒有材料的自加熱發(fā)生。沒有自加熱意味著乙烯丙烯二烯三元共聚物、環(huán)己烷和鋰粉末的組合是穩(wěn)定的混合物。
實施例2-鋰粉末和對二甲苯量為0.531g的鋰粉末與8ml對二甲苯混合，并使用實施例1描述的反應系統(tǒng)篩選工具進行熱穩(wěn)定性試驗。在室溫和180℃之間進行試驗。在這個溫度范圍內(nèi)沒有檢測到自加熱，意味著鋰粉末在室溫和180℃之間在對二甲苯中是穩(wěn)定的。
實施例3-二甲基丙烯脲和鋰粉末使用與實施例1中所述裝置和步驟相同的反應系統(tǒng)篩選工具技術(shù)試驗包含二甲基丙烯脲和鋰粉末的溶液的熱穩(wěn)定性。加入二甲基丙烯脲到鋰粉末中在25℃的溫度下在3秒內(nèi)檢測到自加熱。自加熱以超過1000℃/分鐘的速度增加。圖3圖示了試驗的熱失控。系統(tǒng)中自加熱的存在表明二甲基丙烯脲不是形成本發(fā)明的陽極的合適溶劑，因為它與鋰粉末反應。
在另一陽極14生產(chǎn)過程中，可通過在非水液體如烴溶劑(例如己烷)中包含鋰金屬的懸浮液中浸漬基質(zhì)材料24來在陽極14中提供鋰金屬。懸浮液中使用的鋰金屬26優(yōu)選為細分散的鋰粉末?；|(zhì)材料24可被形成為陽極形狀，然后浸入到鋰金屬懸浮液中，或它可與鋰金屬懸浮液結(jié)合形成漿料，然后施加到集電器上并干燥形成陽極14?；|(zhì)材料24可被預鋰化?？赏ㄟ^干燥陽極14(例如在高溫下)除去用于形成懸浮液的非水液體。不管使用何種方法，鋰金屬優(yōu)選盡可能地分布到基質(zhì)材料內(nèi)。
如圖1所示，陰極12可通過材料16與陽極14分開。典型地，材料16為電絕緣材料，如聚乙烯、聚丙烯或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
二次電池10還包括與陰極12和陽極14電化學連通的電解質(zhì)。該電解質(zhì)可為非水液體、凝膠、或固體，并優(yōu)選包括鋰鹽如LiPF6。該電解質(zhì)提供在整個電池10中，并尤其在陰極12、陽極14和材料16內(nèi)。典型地，該電解質(zhì)為液體，陰極12、陽極14和材料16為在電解質(zhì)中浸漬以在這些部件之間提供電化學連通的多孔材料?；蛘?，材料16和電解質(zhì)可為單一組成。例如，可使用膠質(zhì)聚合物作為電池中的電解質(zhì)和隔板。
本發(fā)明一種實施方案的電池10包括集電器20和22，它們用于傳輸電子到外部電路。優(yōu)選地，集電器20由鋁箔制成，集電器22由銅箔制成。
可通過本領(lǐng)域中已知的方法制備電池10，并優(yōu)選具有在以下范圍內(nèi)的層厚度層厚度集電器(20)10-40μm陰極(12) 70-200μm材料(16) 10-35μm陽極(14) 50-150μm集電器(22)10-40μm電池10可包括分散在整個陰極12、陽極14和隔板16中的電解質(zhì)，和殼(未示出)。電解質(zhì)可與材料16是一個整體。
在一些實施方案中，電池10最初處于充電狀態(tài)，并更優(yōu)選完全充電狀態(tài)。電池10可通過電解質(zhì)將鋰離子從陽極14輸送到陰極12來放電。同時，電子通過集電器22、外部電路和集電器20從陽極14輸送到陰極12。通過電解質(zhì)將鋰離子從陰極12輸送到陽極14使電池10充電或再充電。充電和放電步驟可進行多次循環(huán)，同時保持陰極活性材料的高比容量和保持安全操作條件。
在其它實施方案中，可提供如常規(guī)鋰離子電池已知的未充電狀態(tài)的電池。鋰金屬可提供在陽極和/或陰極中。例如，鋰離子電池的陽極可被根據(jù)本發(fā)明實施方案的包括鋰的陽極代替。該陽極可包括預鋰化基質(zhì)材料。電池中電解質(zhì)的引入可促進電解質(zhì)和陽極中鋰金屬之間的反應，引發(fā)陽極處固體電解質(zhì)界面(SEI)的形成。第一次為電池充電可加速SEI的形成。由陽極中的鋰金屬形成SEI可減少和/或消除因陰極鋰的SEI消耗造成的不可逆容量損失產(chǎn)生的電池容量損失。
例如，當具有含鋰陰極材料和僅僅不含鋰的陽極材料的鋰離子電池首次充電時，含鋰陰極材料的鋰與電池中的電解質(zhì)反應，在陽極處形成固體電解質(zhì)界面(SEI)。SEI消耗來自陰極的部分鋰，導致電池不可逆容量損失。電池不可逆容量損失可達到容量損失的10％-20％。但是，如果根據(jù)本發(fā)明的實施方案用鋰形成鋰離子電池的陽極，則陽極中的鋰在電池首次充電過程中可與電解質(zhì)反應在陽極處形成SEI。由陽極中包含的鋰形成SEI保護了陰極或電池中的鋰，導致因不可逆容量造成的容量損失減小。因此，本發(fā)明的實施方案可減少和/或消除因稱為不可逆容量的現(xiàn)象造成的電池容量損失。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的電池可用于各種應用。例如，該電池可用在便攜式電子設(shè)備中，如蜂窩式電話、便攜式攝像機、數(shù)字記錄設(shè)備和膝上型計算機，和用在大功率應用中，如用于電動車和混合機車。使用含鋰陽極的電池可對陰極材料的選擇提供更大的選擇-這能擴大電池的用途和/或安全性。另外，使用含鋰陽極的電池可減小不可逆容量對電池的影響。
本發(fā)明能提供具有高比容量、安全操作條件和良好循環(huán)能力的電池。特別地，在電池的一些實施方案中可使用非鋰化材料作為陰極活性材料，因為鋰金屬提供在陽極中。非鋰化材料可具有比鋰離子電池中目前使用的鋰化材料高的比容量。不像具有非鋰化陰極活性材料和金屬鋰陽極的傳統(tǒng)鋰電池，發(fā)現(xiàn)使用非鋰化陰極活性材料與本發(fā)明實施方案的陽極結(jié)合生產(chǎn)的電池能安全運行，并且在循環(huán)時不會產(chǎn)生鋰樹枝狀晶體。此外，本發(fā)明實施方案的電池能比鋰離子電池更安全地運行，鋰離子電池在充電過程中從陰極移出鋰時變得不穩(wěn)定。特別地，由于根據(jù)本發(fā)明實施方案的電池中的陰極活性材料一般在電池最初制備時處于完全充電狀態(tài)，因此它變得比鋰離子電池中使用的陰極材料更穩(wěn)定。此外，本發(fā)明的電池可被充電和放電多次，同時保持安全操作條件和陰極活性材料的高比容量。另外，陽極材料中鋰的存在可有助于減少電池的不可逆容量損失，因為陽極中的鋰而不是陰極的鋰可用于形成SEI。
至此已描述了本發(fā)明的一些實施方案，應認識到由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明不受上面說明書中所述的具體細節(jié)限制，只要不脫離下面所要求的精神或范圍，它的多種明顯變化都是可能的。
權(quán)利要求
1.一種預鋰化基質(zhì)材料的方法，包括在鋰金屬中分散基質(zhì)材料以形成基質(zhì)材料和鋰金屬的混合物；和攪拌該基質(zhì)材料和鋰金屬的混合物以促進該基質(zhì)材料的鋰化。
2.權(quán)利要求1的方法，其中鋰金屬為鋰金屬粉末。
3.權(quán)利要求2的方法，其中鋰金屬粉末包括穩(wěn)定的鋰金屬粉末。
4.權(quán)利要求2的方法，其中鋰金屬粉末和基質(zhì)材料分散在非水溶液中。
5.權(quán)利要求4的方法，其中非水溶液包括烴溶劑。
6.權(quán)利要求2的方法，其中在約180℃或更低的溫度下進行攪拌。
7.權(quán)利要求1的方法，其中鋰金屬包括熔融鋰金屬。
8.一種預鋰化基質(zhì)材料的方法，包括使基質(zhì)材料與鋰金屬粉末結(jié)合形成混合物；和操作該混合物以促進基質(zhì)材料的鋰化。
9.權(quán)利要求8的方法，其中對該混合物的操作包括攪拌該混合物以促進基質(zhì)材料的鋰化。
10.權(quán)利要求9的方法，其中在約180℃或更低的溫度下進行攪拌。
11.權(quán)利要求9的方法，其中在40℃和150℃之間的溫度下進行攪拌。
12.權(quán)利要求8的方法，其中該混合物的操作包括在40℃和150℃之間的溫度下加熱該混合物。
13.權(quán)利要求8的方法，其中對該混合物的操作包括施加壓力到該混合物以鋰化基質(zhì)材料。
14.權(quán)利要求13的方法，其中施加壓力到該混合物發(fā)生在180℃或更低的溫度下。
15.權(quán)利要求8的方法，其中對該混合物的操作包括使用混合物形成電極；和擠壓電極以鋰化基質(zhì)材料。
16.權(quán)利要求15的方法，還包括進行二次擠壓電極。
17.一種電極，包括集電器；和與集電器接觸的預鋰化的基質(zhì)材料。
18.權(quán)利要求17的電極，其中該預鋰化的基質(zhì)材料包括用鋰金屬粉末預鋰化的基質(zhì)材料。
19.一種可再充電鋰離子電池，包括正極；包括預鋰化的基質(zhì)材料的負極；和在正極和負極之間的隔板。
20.權(quán)利要求19的可再充電鋰離子電池，其中該預鋰化的基質(zhì)材料包括由基質(zhì)材料和鋰金屬粉末形成的預鋰化的基質(zhì)材料。
21.一種電池，包括權(quán)利要求19的可再充電鋰離子電池。
22.權(quán)利要求21的電池，其中該電池為用于選自以下設(shè)備的電池便攜式電子設(shè)備、蜂窩式電話設(shè)備、便攜式攝像機設(shè)備、數(shù)字記錄設(shè)備、膝上型計算機設(shè)備、電動車設(shè)備和混合機車設(shè)備。
23.一種形成電極的方法，包括鋰化基質(zhì)材料；和由該鋰化的基質(zhì)材料形成電極。
24.一種形成電池的方法，包括由基質(zhì)材料形成電極；鋰化該電極；和在形成電池時使用該鋰化電極作為負極。
25.權(quán)利要求24的方法，其中鋰化該電極包括施加鋰金屬到由基質(zhì)材料形成的電極上；和促進基質(zhì)材料的鋰化。
26.權(quán)利要求25的方法，其中施加鋰金屬到電極上包括施加鋰網(wǎng)到電極上。
27.權(quán)利要求26的方法，其中促進基質(zhì)材料的鋰化包括施加力到電極的鋰網(wǎng)和基質(zhì)材料上以引發(fā)基質(zhì)材料的鋰化。
28.權(quán)利要求26的方法，其中促進基質(zhì)材料的鋰化包括施加電解質(zhì)到電極的鋰網(wǎng)和基質(zhì)材料上以引發(fā)基質(zhì)材料的鋰化。
29.權(quán)利要求26的方法，其中促進基質(zhì)材料的鋰化包括加熱電極的鋰網(wǎng)和基質(zhì)材料以引發(fā)基質(zhì)材料的鋰化。
30.權(quán)利要求25的方法，其中施加鋰金屬到電極上包括施加鋰箔到電極上。
全文摘要
電極，如陽極和陰極，可包括預鋰化或在引入電解質(zhì)到電池內(nèi)時發(fā)生鋰化的基質(zhì)材料?；|(zhì)材料的鋰化可通過以下發(fā)生攪拌鋰金屬和基質(zhì)材料，在大于室溫的溫度下攪拌鋰金屬粉末和基質(zhì)材料，施加壓力到鋰金屬和基質(zhì)材料混合物上，使基質(zhì)材料與熔融鋰金屬接觸，層壓鋰箔或鋰網(wǎng)到包含基質(zhì)材料的電極上，或在高溫下層壓鋰金屬或網(wǎng)到電極上。
文檔編號H01M4/1393GK1830110SQ200480021793
公開日2006年9月6日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者Y·高, M·亞科夫萊瓦, J·恩格爾, C·賈維斯, M·萊因 申請人:Fmc公司