交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年9月12日提交的題為“l(fā)toanodeelectrodeforhighloadingtoaccomplishhighenergyandpowercell(實(shí)現(xiàn)高能量的高負(fù)荷lto陽(yáng)極電極和電池)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列no.62/049,902的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該文獻(xiàn)的全文出于所有目的以引用的方式并入本文中。

背景技術(shù)：

本公開(kāi)一般涉及鋰離子電池和電池模塊領(lǐng)域。更具體地，本公開(kāi)涉及使用鈦酸鋰(lto)作為陽(yáng)極活性材料的鋰離子電池。

本部分旨在向讀者介紹可能與如下所述的本公開(kāi)的各個(gè)方面相關(guān)的領(lǐng)域的各個(gè)方面。這種討論被認(rèn)為有助于向讀者提供背景信息以便于更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。因此，應(yīng)當(dāng)理解，這些陳述應(yīng)按此閱讀，而不是作為對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。

使用一個(gè)或多個(gè)電池系統(tǒng)來(lái)為車(chē)輛提供全部或部分動(dòng)力的車(chē)輛可稱(chēng)為xev，其中術(shù)語(yǔ)“xev”在本文中被定義為包括以下所有車(chē)輛，或任何變型或其組合，其使用電力作為其車(chē)輛的全部或一部分動(dòng)力。例如，xev包括電動(dòng)車(chē)輛(ev)，其利用電力作為全部動(dòng)力。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛(hev)，也被認(rèn)為是xev，其組合內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和電池供電的電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，諸如48伏的系統(tǒng)或130伏的系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)hev可以包括混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛的任何變型。例如，全混合動(dòng)力系統(tǒng)(fhev)可以使用一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)、僅使用內(nèi)燃機(jī)或兩種都使用來(lái)向車(chē)輛提供動(dòng)力和其它電力。相反，輕型混合動(dòng)力系統(tǒng)(mhev)在車(chē)輛空轉(zhuǎn)時(shí)禁用內(nèi)燃機(jī)，并利用電池系統(tǒng)繼續(xù)為空調(diào)機(jī)組、無(wú)線(xiàn)電或其他電子器件供電，以及在需要推進(jìn)時(shí)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。輕型混合動(dòng)力系統(tǒng)還可以例如在加速期間施加一定程度的動(dòng)力輔助以補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)。輕型混合動(dòng)力通常為96v至130v，并通過(guò)帶或曲柄集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)恢復(fù)制動(dòng)能量。此外，微型混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛(mhev)也采用類(lèi)似于輕型混合動(dòng)力的“停止-啟動(dòng)”系統(tǒng)，但是，mhev的微型混合動(dòng)力系統(tǒng)可以向或不向內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力輔助并在電壓低于60v時(shí)運(yùn)行。為了本討論之目的，應(yīng)該注意的是，mhev通常在技術(shù)上不使用直接設(shè)置在曲軸或變速器上的電力用于車(chē)輛的動(dòng)力的任何部分，但是mhev可能仍然被認(rèn)為是xev，因?yàn)楫?dāng)車(chē)輛空轉(zhuǎn)且內(nèi)燃機(jī)無(wú)法工作時(shí)，其使用電力來(lái)補(bǔ)充車(chē)輛的動(dòng)力需求，并且通過(guò)集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)恢復(fù)制動(dòng)能量。此外，插電式電動(dòng)車(chē)輛(pev)是可以從外部電源(諸如墻壁插座)充電的任何車(chē)輛，并且存儲(chǔ)在可再充電電池組中的能量驅(qū)動(dòng)車(chē)輪或有助于驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。pev是ev的子類(lèi)別，其包括全電動(dòng)或電池電動(dòng)車(chē)輛(bev)、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛(phev)以及混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛和常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的電動(dòng)車(chē)輛轉(zhuǎn)換。

與僅使用內(nèi)燃機(jī)和傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)的更傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力車(chē)輛相比，如上所述的xev可以提供許多優(yōu)點(diǎn)，其中傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)通常是由鉛酸電池供電的12v的系統(tǒng)。例如，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃車(chē)輛相比，xev可能產(chǎn)生較少的不希望的排放產(chǎn)物，并且可能表現(xiàn)出更高的燃料效率，并且在某些情況下，此類(lèi)xev可以完全消除汽油的使用，如某些類(lèi)型的ev或pev的情況。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，需要為這種車(chē)輛提供改進(jìn)的電源，特別是電池模塊。例如，為了有效地滿(mǎn)足xev的電力需求，可能期望提高鋰離子電池模塊的功率密度、低溫性能、高溫性能和/或使用壽命。此外，還可能期望在制造此類(lèi)鋰離子電池模塊時(shí)提高效率以減少制造時(shí)間、降低成本、提高耐用性并提高產(chǎn)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

以下闡述了本文公開(kāi)的某些實(shí)施例的概述。應(yīng)當(dāng)理解，這些方面僅僅是為了向讀者提供這些某些實(shí)施例的簡(jiǎn)要概述，并且這些方面并不旨在限制本公開(kāi)的范圍。實(shí)際上，本公開(kāi)可以包括以下可能未闡述的各種方面。

本公開(kāi)涉及一種電池模塊，其包括鋰離子電池單元，所述鋰離子電池單元包括具有陰極活性層的陰極和具有陽(yáng)極活性層的陽(yáng)極。陽(yáng)極活性層包括至少一種聚偏二氟乙烯(pvdf)粘合劑、導(dǎo)電碳和二次鈦酸鋰(lto)，其中二次lto包括平均粒度(d50)大于2微米(μm)的二次lto粒子。

本公開(kāi)還涉及一種制造鋰離子電池單元的方法，其包括形成具有溶劑、導(dǎo)電碳、至少一種粘合劑和二次lto活性材料的漿料，其中所述二次lto活性材料包括平均粒度(d50)大于2μm的二次lto粒子。該方法包括將漿料沉積在金屬的表面上以形成陽(yáng)極的活性層，并使用陽(yáng)極組裝鋰離子電池單元。

本公開(kāi)進(jìn)一步涉及一種鋰離子電池單元，其包括具有陰極和陽(yáng)極的電極堆疊，所述陰極具有陰極活性層，所述陽(yáng)極在每平方厘米(cm²)的陽(yáng)極上具有至少5毫克(mg)的活性層。陽(yáng)極活性層包括至少一種聚偏二氟乙烯(pvdf)粘合劑、導(dǎo)電碳和二次鈦酸鋰(lto)，其中二次lto包括平均粒度(d50)大于2μm的二次lto粒子。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀以下詳細(xì)描述并參考附圖，可以更好地理解本公開(kāi)的各個(gè)方面，其中：

圖1是具有根據(jù)本實(shí)施例配置的用于為車(chē)輛各個(gè)部件供電的電池模塊的車(chē)輛的透視圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)施例的圖1中的車(chē)輛和電池模塊的剖視示意圖；

圖3是根據(jù)本方法的實(shí)施例的袋式電池單元的實(shí)施例的透視圖；

圖4是根據(jù)本方法的實(shí)施例的一次lto粒子的掃描電子顯微鏡(sem)圖像；

圖5是根據(jù)本方法的實(shí)施例的使用圖4的一次lto粒子制成的lto陽(yáng)極表面的自上而下的sem圖像。

圖6是根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖3中的lto陽(yáng)極的橫截面sem圖像；

圖7和圖8是根據(jù)本方法的實(shí)施例的不同放大倍數(shù)的二次lto粒子的sem圖像；

圖9是根據(jù)本方法的實(shí)施例的使用圖7和圖8的二次lto粒子制成的lto陽(yáng)極表面的自上而下的sem圖像；

圖10是根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖8中的lto陽(yáng)極活性層的橫截面sem圖像；

圖11是根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖6中的lto陽(yáng)極的碳映射圖像；

圖12是根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖10中的lto陽(yáng)極的碳映射圖像；

圖13是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的具有不同一次和二次lto材料的lto單元的充電速率數(shù)據(jù)的圖表；

圖14是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖13所示的電池單元的放電速率數(shù)據(jù)的圖表；

圖15是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖13所示的電池單元的低溫(-20℃)性能的圖表；

圖16是根據(jù)本方法的實(shí)施例的總結(jié)圖13至圖15中表示的不同lto活性材料在可加工性、電氣性能和成本方面的比較的圖表；

圖17是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的具有一次lto的電池單元的混合動(dòng)力脈沖能力特性(hppc)期間在60℃下1周之前和1周之后的面積比阻抗(asi,ohm-cm²)與放電深度百分比(dod％)的對(duì)比圖表；

圖18是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的具有二次lto的電池單元的hppc期間在60℃下1周之前和1周之后的asi與dod％的對(duì)比圖表；

圖19是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的不同lto電池單元的10c充電率和100％dod下的電池循環(huán)性能的圖表；

圖20是表示根據(jù)本方法的實(shí)施例的在60℃下具有二次lto的電池單元的保持(％)和恢復(fù)(％)的圖表。

圖21示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的圖20中在60℃下1個(gè)月之前和1個(gè)月之后表示的電池單元的asi；

圖22和圖23分別示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的具有不同組分或負(fù)載的二次lto粒子材料的電池單元的放電速率數(shù)據(jù)和充電速率數(shù)據(jù)；

圖24a、圖24b和圖24c根據(jù)本方法的實(shí)施例包括具有二次lto的電池單元的陰極和陽(yáng)極電壓曲線(xiàn)，其中負(fù)正極容量配比(n/p)分別大于1、等于1和小于1；

圖25示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的在圖24a、圖24b和圖24c中表示的電池單元的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)；

圖26是示出了根據(jù)本方法的實(shí)施例的具有不同陽(yáng)極負(fù)載的一次或二次lto粒子的電池單元的恒定電流(直流內(nèi)電阻)的內(nèi)阻的圖表；以及

圖27是示出根據(jù)本方法的實(shí)施例的使用二次lto制造陽(yáng)極的過(guò)程的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將描述一個(gè)或多個(gè)具體實(shí)施例。為了提供這些實(shí)施例的簡(jiǎn)明描述，在說(shuō)明書(shū)中不描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征。應(yīng)該理解，在任何這樣的實(shí)際實(shí)施的開(kāi)發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中一樣，必須做出許多特定實(shí)施的決定以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)，諸如遵守與系統(tǒng)相關(guān)的以及與業(yè)務(wù)相關(guān)的約束，其可以從一個(gè)實(shí)施到另一個(gè)實(shí)施而變化。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這樣的開(kāi)發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗時(shí)的，但是對(duì)于受益于本公開(kāi)的普通技術(shù)人員而言將是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的常規(guī)工作。

本文描述的電池系統(tǒng)可以用于向各種類(lèi)型的電動(dòng)車(chē)輛(xev)和其他高壓能量存儲(chǔ)/擴(kuò)展應(yīng)用(例如，電網(wǎng)電力存儲(chǔ)系統(tǒng))提供電力。此類(lèi)電池系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊具有多個(gè)電池單元(例如，鋰離子(li-離子)電化學(xué)電池)，其布置成提供特定電壓和/或電流為例如xev的一個(gè)或更多部件供電。

在本文中，“陽(yáng)極”是指鋰離子電池單元的電極，其包括設(shè)置在金屬層(例如鋁帶或鋁板)表面上的活性層。在本文中，“陽(yáng)極活性層(anodeactivelayer)”或“陽(yáng)極活性層(activelayerofananode)”是指沉積在金屬層表面上以促進(jìn)鋰離子電池單元的電化學(xué)的膜，其中陽(yáng)極活性層包括lto陽(yáng)極活性材料。在本文中，“陽(yáng)極負(fù)載(anodeloading)”或“陽(yáng)極負(fù)載(loadingofananode)”是指陽(yáng)極的表面(例如，一個(gè)側(cè)面)每單位面積(例如，cm²)的活性層的重量(例如，毫克)，應(yīng)理解活性層通常以所述水平的負(fù)載沉積在陽(yáng)極的每一側(cè)上。在本文中，“陽(yáng)極活性材料(anodeactivematerial)”或“陽(yáng)極活性材料(activematerialofananode)”是指作為鋰離子電池陽(yáng)極的活性層的一部分的鈦酸鋰(lto)材料。在本文中，“堆疊”或“電極堆疊”是指電池單元內(nèi)的多層結(jié)構(gòu)，其包括在電池單元內(nèi)存儲(chǔ)電能的多個(gè)交替的陰極層和陽(yáng)極層(其間設(shè)置有分隔層)。例如，電池單元的堆疊可以以陰極板和陽(yáng)極板堆疊的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者以具有連續(xù)的陰極條和陽(yáng)極條的“果凍卷”的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述連續(xù)的陰極條和陽(yáng)極條一起圍繞公共軸(例如，使用心軸)產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu)。在本文中，“平均粒度”是指按照平均粒徑(按質(zhì)量)表示的粒度分布(psd)命名法的d50。充電速率和放電速率可以根據(jù)充電率(c-rate)(即1c，5c，10c)來(lái)描述，其中數(shù)字表示每秒進(jìn)入或離開(kāi)電池單元的電荷量(以庫(kù)倫計(jì))。

鈦酸鋰(lto)作為鋰離子電池單元的陽(yáng)極活性材料具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，lto基鋰離子電池通常表現(xiàn)出優(yōu)異的充電接受能力，在低溫下具有優(yōu)異的性能，以及良好的循環(huán)壽命。此外，由于lto的相對(duì)高的電壓(例如，相對(duì)于鋰金屬約為1.55v)，lto在充電過(guò)程中缺少其它陽(yáng)極活性材料所經(jīng)受的鋰電鍍問(wèn)題。然而，目前認(rèn)識(shí)到lto具有較差的可加工性，這對(duì)制造陽(yáng)極和電池單元造成困難、增加時(shí)間和成本。此外，目前還認(rèn)識(shí)到，至少部分由于這種較差的可加工性，當(dāng)陽(yáng)極的負(fù)載相對(duì)較高(例如，大于5mg/cm²)時(shí)，lto基鋰離子電池的電氣性能受損。

考慮到前述內(nèi)容，本實(shí)施例涉及l(fā)to陽(yáng)極活性材料以及電極和電池單元設(shè)計(jì)，其能夠制造具有優(yōu)異的放電功率和充電功率(例如，高達(dá)8800瓦/升(w/l))的鋰離子電池單元，并且適合與xev一起使用，諸如上述微型混合動(dòng)力xev。為了解決lto的上述可加工性問(wèn)題，本實(shí)施例涉及使用二次lto粒子材料以實(shí)現(xiàn)具有相對(duì)較高負(fù)載(例如，大于約5mg/cm²)的lto陽(yáng)極的實(shí)際制造，這使得與使用一次lto粒子制造的lto電池單元相比，使用二次lto粒子制造的lto電池能夠具有改善的電氣性能(例如，更高的能量和更高的功率密度)。如下所述，與具有一次粒子的lto電池相比，具有二次lto粒子的lto電池能夠具有顯著更高的陽(yáng)極負(fù)載，而沒(méi)有顯著的性能損失。另外，在某些實(shí)施例中，與具有一次粒子的lto電池相比，本文所公開(kāi)的具有二次lto粒子的lto陽(yáng)極能夠使得生產(chǎn)具有較低阻抗、更好的高溫性能的lto電池單元，并且提高了使用壽命。

在本文中，lto是指具有尖晶石結(jié)構(gòu)的任何鋰鈦基氧化物(例如li4ti5o12)。因此，lto材料通常包括鋰、鈦和氧，并且在某些實(shí)施例中，也可以包括其它摻雜劑原子。在本文中，“一次lto”是指包含lto的單個(gè)晶粒(例如單獨(dú)的晶體)的lto材料。一次lto中的一次lto粒子的平均粒度小于約2μm(例如，在約1μm和約1.5μm之間)。相反，在本文中，“二次lto”是指包含二次lto粒子的lto材料，其可以通過(guò)將一次lto粒子附聚(例如，燒結(jié))成具有二次(例如球形)形態(tài)的較大粒子而形成。因此，二次lto中的二次lto粒子的平均粒度大于約2μm(例如，在約2μm和20μm之間)。另外，在本文中，二次lto的99％或更多的二次lto粒子的直徑小于60μm。由于二次lto通過(guò)一次lto的附聚形成，所以可以根據(jù)二次lto粒子的尺寸(例如，二次lto粒子的d50)在此描述二次lto，根據(jù)一次lto粒子的尺寸用于形成二次lto粒子(例如，在附聚前的一次lto粒子的d50)或其組合。

可以理解的是，如下所述，本文所公開(kāi)的二次lto活性材料能夠?qū)崿F(xiàn)的電氣性能被認(rèn)為是意想不到的，考慮到用于制造lto陽(yáng)極的其它方法反對(duì)使用具有存在于陽(yáng)極活性層中的一次lto粒子的附聚或聚集，因?yàn)橄惹耙呀?jīng)觀(guān)察到會(huì)降低所得電池單元的電氣性能。然而，在本文中我們公開(kāi)了許多二次lto材料，其由具有尺寸(例如，一次和二次粒度)和形態(tài)(例如，二次形態(tài))的附聚的一次lto粒子制成，其使得能夠比某些一次lto活性材料在可加工性、電氣性能、設(shè)計(jì)自由度和/或成本上更具公開(kāi)的優(yōu)點(diǎn)。

電池模塊

考慮到上述情況，與二次lto材料、陽(yáng)極設(shè)計(jì)和電池單元設(shè)計(jì)相關(guān)的現(xiàn)有實(shí)施例可以應(yīng)用于任何數(shù)量的能量消耗系統(tǒng)(例如，車(chē)輛環(huán)境和固定功率環(huán)境)。為了便于討論，本文所述的電池模塊的實(shí)施例在xev中采用的高級(jí)電池模塊(例如，鋰離子電池模塊)的環(huán)境中給出。為了幫助說(shuō)明，圖1是可以利用再生制動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛10的實(shí)施例的透視圖。雖然以下討論涉及具有再生制動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛，但是本文描述的技術(shù)適用于其他使用電池捕獲/存儲(chǔ)電能的車(chē)輛，其可以包括電動(dòng)和汽油動(dòng)力車(chē)輛。

如上所述，可能期望電池系統(tǒng)12與傳統(tǒng)的車(chē)輛設(shè)計(jì)非常兼容。因此，電池系統(tǒng)12可以放置在車(chē)輛10的位置上，該位置將容納傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)。例如，如圖所示，車(chē)輛10可以包括與典型的內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的鉛酸電池(例如，在車(chē)輛10的引擎蓋下)類(lèi)似定位的電池系統(tǒng)12。此外，如下面將更詳細(xì)描述的，電池系統(tǒng)12可以定位成便于管理電池系統(tǒng)12的溫度。例如，在一些實(shí)施例中，將電池系統(tǒng)12定位在車(chē)輛10的引擎蓋下方可以使得空氣管道能夠?qū)饬饕龑?dǎo)到電池系統(tǒng)12上并且冷卻電池系統(tǒng)12。

在圖2中描述了電池系統(tǒng)12的更詳細(xì)的視圖。如圖所示，電池系統(tǒng)12包括耦合到點(diǎn)火系統(tǒng)16、交流發(fā)電機(jī)18、車(chē)輛控制臺(tái)20以及可選地連接到電動(dòng)機(jī)21的能量存儲(chǔ)部件14。通常，能量存儲(chǔ)部件14可以捕獲/存儲(chǔ)在車(chē)輛10中產(chǎn)生的電能并輸出電能以對(duì)車(chē)輛10中的電氣裝置供電。

換句話(huà)說(shuō)，電池系統(tǒng)12可以向車(chē)輛電氣系統(tǒng)的部件供電，其中可以包括散熱器冷卻風(fēng)扇、氣候控制系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動(dòng)懸架系統(tǒng)、自動(dòng)停車(chē)系統(tǒng)、電動(dòng)油泵、電動(dòng)超級(jí)/渦輪增壓器、電動(dòng)水泵、加熱擋風(fēng)玻璃/除霜器、窗體升降電機(jī)、梳妝燈、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、天窗電機(jī)控制裝置、電動(dòng)座椅、報(bào)警系統(tǒng)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、導(dǎo)航功能、車(chē)道偏離警告系統(tǒng)、電動(dòng)停車(chē)制動(dòng)器、外部燈或其任何組合。示例性地，在所描繪的實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)部件14向車(chē)輛控制臺(tái)20和點(diǎn)火系統(tǒng)16供電，該系統(tǒng)可用于啟動(dòng)(例如，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng))內(nèi)燃機(jī)22。

另外，能量存儲(chǔ)部件14可以捕獲由交流發(fā)電機(jī)18和/或電動(dòng)機(jī)21產(chǎn)生的電能。在一些實(shí)施例中，交流發(fā)電機(jī)18可以在內(nèi)燃機(jī)22運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電能。更具體地，交流發(fā)電機(jī)18可以將由內(nèi)燃機(jī)22的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。除此之外或另選地，當(dāng)車(chē)輛10包括電動(dòng)機(jī)21時(shí)，電動(dòng)機(jī)21可以通過(guò)將由車(chē)輛10的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能(例如，車(chē)輪的旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)換成電能來(lái)產(chǎn)生電能。因此，在一些實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)部件14可以在再生制動(dòng)期間捕獲由交流發(fā)電機(jī)18和/或電動(dòng)機(jī)21產(chǎn)生的電能。因此，交流發(fā)電機(jī)和/或電動(dòng)機(jī)21在本文中通常被稱(chēng)為再生制動(dòng)系統(tǒng)。

為了便于捕獲和提供電能，能量存儲(chǔ)部件14可以經(jīng)由總線(xiàn)24電耦合到車(chē)輛的電氣系統(tǒng)。例如，總線(xiàn)24可以使能量存儲(chǔ)部件14能夠接收由交流發(fā)電機(jī)18和/或電動(dòng)機(jī)21產(chǎn)生的電能。另外，總線(xiàn)可以使能量存儲(chǔ)部件14能夠?qū)㈦娔茌敵龅近c(diǎn)火系統(tǒng)16和/或車(chē)輛控制臺(tái)20。因此，當(dāng)使用12伏電池系統(tǒng)12時(shí)，總線(xiàn)24可以承載通常在8伏到18伏之間的電力。

另外，如圖所示，能量存儲(chǔ)部件14可以包括多個(gè)電池模塊。例如，在所示的實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)部件14包括鋰離子(例如，第一)電池模塊25和鉛酸(例如，第二)電池模塊26，其中每個(gè)電池模塊均包括一個(gè)或多個(gè)電池單元。在其他實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)部件14可以包括任何數(shù)量的電池模塊。此外，盡管鋰離子電池模塊25和鉛酸電池模塊26被描繪為彼此相鄰，但是它們可以定位在車(chē)輛周?chē)牟煌瑓^(qū)域中。例如，鉛酸電池模塊26可以定位在車(chē)輛10的內(nèi)部或周?chē)囯x子電池模塊25可以定位在車(chē)輛10的引擎蓋下方。

在一些實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)部件14可以包括多個(gè)電池模塊以利用多個(gè)不同的電池化學(xué)性質(zhì)。例如，當(dāng)使用鋰離子電池模塊25時(shí)，可以提高電池系統(tǒng)12的性能，因?yàn)楸绕疸U酸電池化學(xué)性質(zhì)，鋰離子電池化學(xué)性質(zhì)通常具有較高的庫(kù)侖效率和/或更高的電力充電接受率(例如，較高的最大充電電流或充電電壓)。因此，可以提高電池系統(tǒng)12的捕獲、存儲(chǔ)和/或分布效率。

為了便于控制電能的捕獲和存儲(chǔ)，電池系統(tǒng)12可另外包括控制模塊27。更具體地，控制模塊27可以控制電池系統(tǒng)12中的部件的操作，諸如能量存儲(chǔ)部件14、交流發(fā)電機(jī)18和/或電動(dòng)機(jī)21內(nèi)的繼電器(例如開(kāi)關(guān))。例如，控制模塊27可以調(diào)節(jié)由每個(gè)電池模塊25或電池模塊26捕獲/供應(yīng)的電能的量(例如，對(duì)電池系統(tǒng)12進(jìn)行降低定額和重新定額)，在電池模塊25和電池模塊26之間執(zhí)行負(fù)載平衡，確定每個(gè)電池模塊25或電池模塊26的充電狀態(tài)，確定每個(gè)電池模塊25或電池模塊26的溫度，控制通過(guò)交流發(fā)電機(jī)18和/或電動(dòng)機(jī)21輸出的電壓等。

因此，控制模塊27可以包括一個(gè)或者多個(gè)處理器28和一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器29。更具體地，一個(gè)或多個(gè)處理器28可以包括一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用集成電路(asic)，一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)，一個(gè)或多個(gè)通用處理器或其任何組合。另外，一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器29可以包括易失性存儲(chǔ)器，諸如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)，和/或非易失性存儲(chǔ)器，諸如只讀存儲(chǔ)器(rom)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或固態(tài)驅(qū)動(dòng)器。在一些實(shí)施例中，控制模塊27可以包括車(chē)輛控制單元(vcu)和/或單獨(dú)的電池控制模塊的部分。此外，如圖所示，鋰離子電池模塊25和鉛酸電池模塊26在其端子上并聯(lián)連接。換句話(huà)說(shuō)，鋰離子電池模塊25和鉛酸模塊26可以經(jīng)由總線(xiàn)24并聯(lián)連接到車(chē)輛的電氣系統(tǒng)。

如上所述，本文所述的鋰離子電池模塊25可以包括電耦合的多個(gè)鋰離子電化學(xué)電池單元以提供特定電流和/或電壓，從而為xev10提供電力。圖3是根據(jù)本方法的實(shí)施例的袋式電池單元30的實(shí)施例的透視圖；雖然圖3示出了袋式電池單元30作為實(shí)例，但是在其他實(shí)施例中，可以使用其他電池單元形狀(例如，圓柱形、矩形、棱柱形)。所例示的袋式電池單元30具有聚合物封裝32，其密封電池的內(nèi)部部件，包括電極堆疊和電解質(zhì)。在某些實(shí)施例中，電池單元30可以是任何鋰離子電化學(xué)電池，其利用鈦酸鋰(lto)作為陽(yáng)極活性材料，諸如鎳鈷錳三元材料(nmc)電池單元/lto電池單元。在本文中，nmc電池單元在層狀結(jié)構(gòu)中具有包含鋰、鎳、錳和鈷的陰極活性材料(例如，lixniamnbcocc2，其中x+a+b+c＝2)。所例示的袋式電池單元30包括正極端子34和負(fù)極端子36，其從電池單元30的相對(duì)端延伸。此外，正極端子34電耦合到陰極層，并且負(fù)極端子36電耦合到陽(yáng)極層，所述層布置在電池單元30內(nèi)的封裝32的堆疊內(nèi)。

如下所述，在某些實(shí)施例中，電池單元30可以設(shè)計(jì)成具有能夠?qū)崿F(xiàn)特定功率密度的特定尺寸集合。圖3的袋式電池單元30可以描述成具有特定長(zhǎng)度38、寬度40和厚度42。因此，用于計(jì)算電池單元30的功率密度的電池單元30的體積是這三個(gè)值的乘積。例如，在下面討論的某些實(shí)施例中，電池單元30可以具有約234mm的長(zhǎng)度38、大約130mm的寬度40和約5.3mm的厚度42，以提供約0.16升(l)的體積。如下所述，除了電池單元30的體積之外，可以選擇電池單元30的其它參數(shù)(例如，陽(yáng)極負(fù)載或堆疊中的陽(yáng)極層的數(shù)量)以產(chǎn)生具有特定功率密度的電池單元30。

二次lto材料

表1.用于本方法實(shí)施例的九種不同的lto材料用作陽(yáng)極活性材料

如上所述，本實(shí)施例利用二次lto作為陽(yáng)極活性材料。表1中列出了9種不同的lto材料。更具體地，表1表示這些lto材料中的每一種材料的類(lèi)型(即一次或二次lto)、粒度分布(psd)數(shù)據(jù)和brunauer-emmett-teller(bet)表面積分析數(shù)據(jù)。另外，圖4至圖6包括示例性一次lto(即lto4)的sem圖像，以及使用該一次lto制成的陽(yáng)極活性層的sem圖像。為了比較，圖7至圖10包括示例性二次lto(即，lto7)的sem圖像，以及使用該二次lto制成的陽(yáng)極活性層的sem圖像。

特別地，圖4中的sem圖像示出了平均粒度為約1μm的一次lto粒子50。圖5示出了具有使用圖4所示的一次lto粒子50制成的活性層54的lto陽(yáng)極52的自上向下的視圖。圖6示出了圖4所示的lto陽(yáng)極52的橫截面視圖，其中可以看到lto陽(yáng)極52的活性層54和金屬層56。如圖5和圖6所示，一次lto粒子50緊密堆積并形成lto陽(yáng)極52的相對(duì)低孔隙率的活性層54?？梢岳斫?，一次lto粒子50的小尺寸(例如，大約1μm)，如圖4所示，在制造陽(yáng)極52的混合和沉積期間也會(huì)導(dǎo)致上述可加工性問(wèn)題，如下面進(jìn)一步討論的。

如圖7和圖8的sem圖像所示，示例性二次lto粒子60通常具有球形或二次形態(tài)。所例示的二次lto粒子60具有約6.3μm的平均粒度。另外，這些二次lto粒子60基本上是較小的一次lto粒子62的附聚物，和具有約100nm的平均粒度的較小的一次lto粒子62。圖9示出了由圖7和圖8所示的陽(yáng)極64的自上向下的視圖，該陽(yáng)極具有由二次lto粒子60制成的活性層66。圖10示出了圖9的陽(yáng)極活性層64的橫截面圖，其中可以看到lto陽(yáng)極64的活性層66和金屬層68。如圖9和圖10所示，二次lto使得能夠生產(chǎn)陽(yáng)極活性層66，其基本上比圖5和圖6所示的陽(yáng)極52的lto有源層54有更多孔。這種增強(qiáng)的孔隙率使得能夠生產(chǎn)如下所述的具有改進(jìn)的電氣性能的陽(yáng)極64，并且能夠制造具有較厚活性層66的陽(yáng)極64(即，具有較高負(fù)載的陽(yáng)極)。

為了進(jìn)一步說(shuō)明使用一次lto制成的lto陽(yáng)極52和使用二次lto制成的lto陽(yáng)極64之間的差異，圖11示出了如圖6所示的lto陽(yáng)極52的碳映射數(shù)據(jù)。為了比較，圖12示出了如圖10所示的lto陽(yáng)極64的碳映射數(shù)據(jù)。在圖11和圖12的碳映射數(shù)據(jù)中，白色像素表示在活性層54和活性層66內(nèi)存在一個(gè)或多個(gè)碳原子。因此，圖12的碳映射數(shù)據(jù)示出了與圖11的lto活性層54相比，lto活性層66內(nèi)具有更好的碳分散。如下所述，lto陽(yáng)極64的改進(jìn)的碳分散是由用于形成陽(yáng)極64的混合和沉積工藝期間二次lto的改進(jìn)的可加工性的結(jié)果。

考慮到上述情況，目前認(rèn)識(shí)到，二次lto的形態(tài)在陽(yáng)極制造期間基本上影響二次lto的可加工性以及l(fā)to電池單元的最終電氣性能。例如，目前認(rèn)識(shí)到，當(dāng)二次lto具有中等二次粒度和小的一次粒度時(shí)，二次lto的電氣性能和可加工性顯著更好。具體而言，對(duì)于二次lto而言，當(dāng)二次lto粒子的平均粒度小于12μm(例如小于10μm，或約6μm)時(shí)，并且一次lto粒子的平均粒度(即，二次lto粒子內(nèi)附聚的一次lto粒子的平均粒度)小于500nm(例如，小于250nm或約100nm)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的可加工性和電氣性能。例如，如下所述，圖7至圖10中所示的二次lto(即lto7)落入這些二次粒度和一次粒度范圍內(nèi)，與其他lto材料相比在可加工性和所得電氣性能兩方面都有優(yōu)勢(shì)。

二次lto材料的電氣性能

使用許多不同的二次lto材料(即lto1、lto2、lto5、lto6和lto7)以及不同的一次lto材料(即lto3和lto4)制造硬幣型電池單體，并且隨后對(duì)硬幣型電池單體進(jìn)行電氣評(píng)估以作比較。不同lto活性材料的電氣性能數(shù)據(jù)的代表性部分如圖13至圖15所示。即，圖13的圖表80示出了充電速率數(shù)據(jù)，圖14的圖表82示出了放電速率數(shù)據(jù)，圖15的圖表84示出了實(shí)施例的使用指定的一次或二次lto材料制成的lto電池單元的低溫(-20℃)容量保持(％)。如圖13至圖15所示，多個(gè)二次lto材料的性能等同于(或優(yōu)于)所表示的一次lto材料。特別地，lto7具有優(yōu)異的放電和功率再生性能以及低溫性能。

圖16總結(jié)了在圖13至圖15中表示的lto活性材料在可加工性、電氣性能和成本方面的比較。特別地，圖16的圖表86打破了lto活性材料的比較，包括與各種lto材料相關(guān)的可加工性、放電速率、充電速率、直流電阻(直流內(nèi)電阻)、低溫性能(lt，-20℃以1c速率)、高溫性能(ht，60℃)以及成本方面，每種范圍為從1到10?；趫D16的圖表86中給出的比較數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到某些二次lto活性材料(例如，lto7)能夠比某些一次lto活性材料在可加工性、電氣性能和/或成本方面更具實(shí)質(zhì)性?xún)?yōu)點(diǎn)。

圖17是圖表88，其示出了使用一次lto(即，lto4)制成的lto硬幣型半電池單元的混合動(dòng)力脈沖能力特性(hppc)期間的面積比阻抗(asi,ohm-cm²)與放電深度百分比(dod％)的對(duì)比。為了比較，圖18是圖表90，其示出了使用二次lto(即，lto7)制造的lto硬幣型半電池單元的hppc期間的asi與dod％的對(duì)比。如圖88和圖90所示，兩個(gè)單元在60℃下1周后都經(jīng)歷了asi的增加。例如，在60℃下1周后，圖17的圖表88所示的lto電池單元的最大asi為大約10oohm-cm²，而圖18的圖表90所示的lto電池單元的最大asi約為70ohm-cm²。此外，如圖18的圖表90所示，對(duì)于在60℃下1周后的二次lto的電池單元而言，asi的增加明顯較小(例如，小于50％的增加)。相比之下，如圖17的圖表88所示，對(duì)于在60℃下1周后的一次lto的電池單元而言，asi的增加明顯更大(例如，增加大于100％)。

此外，如圖17的圖表88所示，具有一次lto的電池單元的asi的脫鋰成分在60℃下1周后顯著更高，并且在圖18的圖表90所示的具有二次lto的電池單元中沒(méi)有觀(guān)察到此增加。也就是說(shuō)，具有二次lto的電池單元的平均鋰化成分和平均脫鋰成分在60℃下在1周后均增加約50％或以下，與之相比，一次lto的電池單元增加約100％或以上。因此，基于圖17和圖18所示的降低的asi增加率，目前認(rèn)識(shí)到，與某些使用一次lto的電池單元相比，某些二次lto活性材料(例如，lto7)使得能夠制造具有改善的循環(huán)壽命性能的電池單元。

圖19的圖表92示出了使用二次lto(即，如所指示的lto7或lto7-1)制造的電池單元的實(shí)施例的快速充電/放電速率(即，具有100％dod的10c)下的電池循環(huán)性能。例如，所表示的電池單元實(shí)施例在10℃下400次循環(huán)之后表現(xiàn)出優(yōu)異的容量保持率(例如，大于90％，大于95％)。因此，所表示的電池單元實(shí)施例在10℃下400次循環(huán)后僅表現(xiàn)出小的容量保持率降低(例如小于10％，小于5％)。因此，基于圖20的圖表92中呈現(xiàn)的循環(huán)數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到某些二次lto活性材料(例如，lto7，lto7-1)在連續(xù)的快速充電/放電循環(huán)期間(例如，在10℃下400次循環(huán))能夠保持良好的容量。

圖20的圖表94示出了在60℃下操作1個(gè)月的硬幣型電池單元的不同實(shí)施例的保持(％)和恢復(fù)(％)，其中電池單元各自包括指示的二次lto活性材料(即，lto7、lto7-1、lto1或lto1-1)。當(dāng)在60℃下操作時(shí)，所表示的lto電池單元實(shí)施例表現(xiàn)出良好的容量保持率(例如，大于約60％或65％)。當(dāng)在60℃下操作時(shí)，所表示的lto電池單元實(shí)施例也顯示出良好的恢復(fù)(例如，大于約80％或85％)。因此，基于圖20的圖表94中所表示的保持/恢復(fù)數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到某些二次lto活性材料(例如，lto7)在高溫操作期間(例如，在60℃下，1個(gè)月后)能夠保持良好的容量。

圖21的圖表96示出了在60℃下1個(gè)月之前和之后的圖20所示的電池單元實(shí)施例的asi。所表示的實(shí)施例表現(xiàn)了低初始asi(例如，小于15ohmcm²，小于14ohm-cm²)，以及在60℃下1個(gè)月后相對(duì)更低的asi(例如小于24ohm-cm²，小于21ohm-cm²)。此外，在60℃下1個(gè)月后，asi的增加相對(duì)較小(例如小于50％，小于45％)。因此，基于圖21的圖表96所示的asi數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到某些二次lto活性材料(例如，lto7)能夠?qū)崿F(xiàn)低初始asi以及在60℃下1個(gè)月后較慢速率的asi增加，其表明了良好的高溫性能和使用壽命。

lto陽(yáng)極設(shè)計(jì)

目前還認(rèn)識(shí)到，本文所公開(kāi)的陽(yáng)極64的活性層66中的組分的相對(duì)比例也影響所得電池單元30的電氣性能。例如，圖22和圖23的圖表98和圖表100分別示出了具有不同活性層66的陽(yáng)極64的電池單元的實(shí)施例的放電速率數(shù)據(jù)和充電速率數(shù)據(jù)，所述活性層66使用特定二次lto(即，lto7)、導(dǎo)電碳(即炭黑)和粘合劑(即，一種或多種聚偏二氟乙烯(pvdf)粘合劑)以特定的相對(duì)比例制成。例如，圖22和圖23中所示的lto電池單元102的實(shí)施例具有陽(yáng)極活性層66，其包括：92wt％的二次lto，4wt％的導(dǎo)電碳和4wt％的粘合劑。圖22和圖23中所示的lto電池單元104和電池單元106均具有陽(yáng)極活性層66，其包括：90wt％的二次lto，5wt％的導(dǎo)電碳和5wt％的粘合劑。然而，電池單元106具有較高的陽(yáng)極負(fù)載(例如，7.5mg/cm²)，并因此具有較厚的活性層66。如圖22所示，與電池單元104和電池單元106相比，電池單元102在放電期間顯示出更好的容量保持性能，特別是在c1o或更小的放電速率下。此外，如圖23所示，與電池單元104和電池單元106相比，電池單元102在以所有測(cè)量的速率充電期間顯示出更好的容量保持性能。因此，基于圖22和圖23的圖表98和圖表100中呈現(xiàn)的充電數(shù)據(jù)和放電數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到，lto陽(yáng)極64的活性層66中的某些材料比例(例如，92wt％的二次lto，約4wt％的導(dǎo)電碳和約4wt％的粘合劑)能夠制造具有良好電氣性能的電池單元30。

目前還認(rèn)識(shí)到負(fù)正極容量配比(n/p)影響所得電池單元30的電氣性能。例如，圖24a、圖24b和圖24c包括電池單元30的實(shí)施例的陰極和陽(yáng)極電壓曲線(xiàn)(即，電壓(v)vs.電池容量(mah))，其中n/p分別大于1、等于1和小于1；圖24a、圖24b和圖24c的圖表120、圖表122和圖表124每個(gè)均包括線(xiàn)126，其位置指示產(chǎn)生所需的2.8v電池單體電壓的陰極和陽(yáng)極的相對(duì)電壓。

目前認(rèn)識(shí)到，如圖24a中的圖表120所示，當(dāng)電池單元30的實(shí)施例的n/p基本上小于1時(shí)，電池單元在充電期間可能具有低陰極電位的優(yōu)點(diǎn)，并且在整個(gè)電池壽命期間性能穩(wěn)定，但也可能在容量、能量密度和平均電壓方面存在缺點(diǎn)。還認(rèn)識(shí)到，如圖24c中的圖表124所示，當(dāng)電池單元30的實(shí)施例的n/p基本上大于1時(shí)，電池單元可能在使陰極的可用能量最大化方面具有優(yōu)勢(shì)，具有高平均電壓，并且在陰極處具有一致的充電電位，但是在陰極處的高充電電位方面也可能存在缺點(diǎn)，并且在電池壽命期間不斷地降低性能。

如圖24b中的圖表122所示，當(dāng)n/p相等或近似相等時(shí)，陰極的截止電位可能難以控制。然而，目前認(rèn)識(shí)到，具有n/p近似等于1的電池單元30的實(shí)施例在使用壽命和陰極電位方面承受由n/p<1和n/p>1導(dǎo)致的缺點(diǎn)之間的折中。例如，圖25的圖表128示出了具有n/p<1，n/p>1和n/p＝1的電池單元30的實(shí)施例的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)。因此，具有n/p＝1的電池單元30的實(shí)施例在數(shù)百個(gè)充電/放電循環(huán)中表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的性能(例如，一致的容量)。因此，基于圖24和圖25所示的數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到，將n/p比保持在大約1.0至大約1.05之間能夠生產(chǎn)具有高容量和良好循環(huán)性能的電池單元30。

如上所述，lto陽(yáng)極活性材料的負(fù)載(即每平方厘米陽(yáng)極的活性層的毫克數(shù))也影響所得電池單元30的電氣性能。例如，圖26的圖表140示出了使用一次lto(即，lto4)制成的電池單元142的實(shí)施例和使用二次lto(即，lto7)制成的電池單元144的實(shí)施例在恒定電流(直流內(nèi)電阻，歐姆)的內(nèi)電阻與陽(yáng)極負(fù)載(mg/cm²)的相互關(guān)系。如圖26所示，具有二次lto的電池單元144與具有低于5mg/cm²的負(fù)載重量的一次lto的電池單元142相比表現(xiàn)出略高的電阻。然而，具有二次lto的電池單元144與具有大于5mg/cm²的負(fù)載重量的電池單元142相比表現(xiàn)出顯著更低的電阻。如圖9和圖10所示，在較高負(fù)載下的這種較低電阻被認(rèn)為是，至少部分是，由于lto活性層66的孔隙率的增加引起。因此，基于圖12的圖表140中呈現(xiàn)的阻抗數(shù)據(jù)，目前認(rèn)識(shí)到具有大于5mg/cm²的負(fù)載的lto陽(yáng)極(例如，在5mg/cm²和10mg/cm²之間，5mg/cm²和7mg/cm²之間)能夠制造具有改善的能量和功率密度的電池單元30。

制造lto陽(yáng)極

圖27是示出了用于制造lto陽(yáng)極64的過(guò)程150的實(shí)施例的流程圖，如圖9和圖10所示。所例示的過(guò)程150通常涉及漿料的制備，其隨后應(yīng)用于(例如，涂覆或加載到)金屬條或金屬板(例如，鋁條或鋁板)的表面上以產(chǎn)生陽(yáng)極，所述陽(yáng)極用于制造鋰離子電池單元30。對(duì)于圖27所示的實(shí)施例，在多個(gè)步驟中使用具有特定混合/分散的行星式分散混合器的上下文中描述了過(guò)程150的漿料制備部分，然而，在其他實(shí)施例中，可以使用其他類(lèi)型的混合器或改進(jìn)的混合程序，而不否定本方法的效果。

圖27所示的過(guò)程150開(kāi)始于添加(框152)溶劑、添加劑粘合劑(例如，聚偏二氟乙烯(pvdf)粘合劑)和導(dǎo)電碳(例如，炭黑)以在行星式分散混合器內(nèi)形成漿料。接下來(lái)，混合器(與弱分散器)執(zhí)行(框154)泥漿的第一時(shí)間段的行星式混合。此外，如框156所示，在第一時(shí)間段期間，可以向漿料中加入粘合劑溶液(例如，包含一種或多種pvdf粘合劑的溶液)。在某些實(shí)施例中，可以暫時(shí)停止混合器的操作以添加粘合劑溶液。此外，在某些實(shí)施例中，行星式混合和/或分散器設(shè)置可以在整個(gè)第一時(shí)間段內(nèi)變化(例如，增加或減少)。

如圖27所示，在第一時(shí)間段完成之后，可以將lto活性材料(例如，二次lto)添加(框158)到漿料中。接下來(lái)，混合器(與強(qiáng)分散器)執(zhí)行(框160)泥漿的第二時(shí)間段的行星式混合。此外，如框162所示，在該第二時(shí)間段期間，可以向漿料中加入附加的溶劑。在某些實(shí)施例中，可以暫時(shí)停止混合器，以添加由框162表示的溶劑。此外，在某些實(shí)施例中，行星式混合和/或分散器設(shè)置可以在整個(gè)第二時(shí)間段內(nèi)變化(例如，增加或減少)。

在第二時(shí)間段完成之后，然后使用真空和/或惰性氣體鼓泡將漿料脫氣(框164)。在某些實(shí)施例中，混合器可以在由方框164表示的整個(gè)脫氣過(guò)程中繼續(xù)向混合物提供行星式混合。隨后，可以將脫氣的漿料(框166)沉積到金屬箔的表面上以形成陽(yáng)極的活性層。例如，脫氣的漿料可以沉積在鋁金屬箔的表面上，例如使用模涂或逆輥涂布工藝，以形成lto陽(yáng)極64的活性層66。最后，在框166中形成的lto陽(yáng)極64可用于構(gòu)建(框168)能夠提供上述電氣性能的鋰離子電池單元30。

實(shí)例:制造lto陽(yáng)極

在圖27所示的過(guò)程150的示例性實(shí)施例中，將1.2ln-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)溶劑、250ml被稱(chēng)為添加劑粘合劑的第一聚偏二氟乙烯(pvdf)粘合劑(例如，可從日本瑞翁株式會(huì)社獲得的bm730h)以及100ml炭黑(例如，可從俄亥俄州西湖市的timcalgraphite&carbon公司獲得的c65)添加到一起以在行星式分散混合器中形成漿料，如框152所示。然后將漿料用弱分散器進(jìn)行行星式混合60分鐘，如框154所示。在30分鐘的標(biāo)記下，可以暫?；旌掀鞑⒄澈蟿┤芤杭尤氲綕{料中，如框156所示。對(duì)于該實(shí)例，粘合劑溶液包含溶解在1150mlnmp中的1kg第一pvdf粘合劑(例如bm730h)和250g第二pvdf粘合劑(例如，可從法國(guó)arkema獲得的hsv900)。在將粘合劑溶液加入到漿料中后，完成由框154表示的剩余30分鐘的混合/分散。

繼續(xù)通過(guò)示例性實(shí)施例，接下來(lái)將2.3kg二次lto活性材料(例如，lto7)連同附加的650mlnmp一起添加到漿料中，如框158所示。然后將漿料用強(qiáng)分散器進(jìn)行行星式混合150分鐘，如框160所示。在30分鐘標(biāo)記下，暫停混合器，并且在剩余的120分鐘的混合/分散完成之前(如框160所示)，向該漿料中加入300ml的nmp(如框162所示)。隨后將漿料放置在真空下，繼續(xù)進(jìn)行另外30分鐘的混合/分散以使?jié){料脫氣，如框164所示。

對(duì)于該實(shí)例，所得的二次lto漿料的總固體比為約43％，并且粘度為約1050厘泊(cps)。為了比較，當(dāng)使用過(guò)程150和框158中的一次lto材料(例如，lto4)的取代來(lái)制備示例性一次lto漿料時(shí)，總混合時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)約15％，并且所得到的一次lto漿料具有較低的總固體比(即38％)和較高的粘度(即1080cps)。因此，目前認(rèn)識(shí)到，二次lto漿料的較高的固體比和較低粘度的漿料使得漿料能夠更容易地形成并涂覆在金屬箔的表面上，如框166所示。此外，如上所述，二次lto漿料的改進(jìn)的可加工性導(dǎo)致形成具有高負(fù)載(例如大于5mg/cm²)的陽(yáng)極和良好的電氣性能。

實(shí)例:電池單元設(shè)計(jì)

考慮到前述內(nèi)容，表2包括了如圖3所示的袋式電池單元30的三個(gè)示例性實(shí)施例的設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)實(shí)施例均包括根據(jù)圖27所示的過(guò)程150使用二次lto制造的lto陽(yáng)極64。更具體地，表2所示的每個(gè)示例性lto電池單元實(shí)施例的陽(yáng)極活性層66包括：92wt％的二次lto(即lto7)，4wt％的導(dǎo)電碳(即炭黑)和4wt％的粘合劑(即兩個(gè)pvdf粘合劑，bm730h與hsv900的比例約為4比1)。其他lto電池單元實(shí)施例可以包括約90％至約94％的二次lto，約3wt％至約5wt％的導(dǎo)電碳，以及約3wt％至約5wt％的粘合劑。另外，在某些實(shí)施例中，兩個(gè)pvdf粘合劑(例如bm730h和hsv900)在陽(yáng)極活性層66內(nèi)的比例可以在約3比1與約5比1之間。

可以理解，表2中表示的電池單元30的三個(gè)示例性實(shí)施例各自具有不同的活性材料負(fù)載(即，對(duì)于陰極和陽(yáng)極)，并且每個(gè)具有約8ah的容量。為了在適應(yīng)不同的活性材料負(fù)載的同時(shí)保持相似的容量，表2中所示的lto電池單元實(shí)施例在堆疊中具有增加的層數(shù)(即陰極層、陽(yáng)極層、隔板層)和減小的陽(yáng)極負(fù)載。由于如圖3所示的袋式電池單元30的厚度42與堆疊中的層數(shù)成正比，因此具有較低活性材料負(fù)載的袋式電池單元30的實(shí)施例通常較厚，并且因此具有更大的體積，如表2所示。

表2.具有高、中或低電極負(fù)載的袋式電池單元30的三種不同實(shí)施例的電極組成、電池尺寸和性能

如表2所示，本文所公開(kāi)的二次lto活性材料與一次lto活性材料相比，在陽(yáng)極64和電池單元30的設(shè)計(jì)中具有更大的自由度。也就是說(shuō)，由于二次lto活性材料使得陽(yáng)極負(fù)載超過(guò)5mg/cm²，所以可以制造袋式電池單元30的實(shí)施例以使用較小的堆疊提供相似的容量(例如較少的陰極/陽(yáng)極層，卷更少的較薄的“果凍卷”)。由于可以在使用較少的陰極/陽(yáng)極層的同時(shí)保持相似的容量，具有較高陽(yáng)極負(fù)載(例如，大于5mg/cm²)的電池單元30的實(shí)施例可以較便宜地制造和/或可以減小電池單元30的重量。另外，雖然對(duì)于具有較低陽(yáng)極負(fù)載的表2中所示的實(shí)施例使用了較大的堆疊(例如，大于25個(gè)陽(yáng)極層)，但是這些實(shí)施例還表現(xiàn)出較高的功率密度，其對(duì)涉及較高充電/放電速率的特定應(yīng)用而言是有用的。因此，本文所公開(kāi)的二次lto材料、陽(yáng)極設(shè)計(jì)和電池單元設(shè)計(jì)可以基于期望的成本、尺寸、應(yīng)用等更加自由地生產(chǎn)不同類(lèi)型的鋰離子電池單元。

所公開(kāi)的實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)地或組合地可以提供一個(gè)或多個(gè)技術(shù)效果，包括制造具有使用二次lto粒子制造的lto陽(yáng)極的電池模塊。說(shuō)明書(shū)中的技術(shù)效果和技術(shù)問(wèn)題是示例性的，而不是限制性的。應(yīng)當(dāng)注意，說(shuō)明書(shū)中描述的實(shí)施例可以具有其他技術(shù)效果并且可以解決其他技術(shù)問(wèn)題。已經(jīng)通過(guò)實(shí)例的方式示出了上述具體實(shí)施例，并且應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例可能容易受到各種修改和替代形式的影響。應(yīng)進(jìn)一步理解，權(quán)利要求并不旨在限于所公開(kāi)的特定形式，而是覆蓋落入本公開(kāi)的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效物和替代物。