锂化电活性材料的方法与流程

本发明公开了一种用于形成电活性材料的方法和一种用于使电活性材料预锂化的方法。

背景技术：

1、本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

2、需要高级能量储存装置和系统来满足各种产品，包括汽车产品，例如启-停系统(例如12v启-停系统)、电池组辅助系统、混合动力电动车辆(“hev”)和电动车辆(“ev”)的能量和/或功率要求。典型的电池组包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。两个电极中的一个可用作正电极或阴极，并且另一个电极可用作负电极或阳极。填充有液体或固体电解质的隔离件可设置在负电极和正电极之间。电解质适于在电极之间传导离子(例如，锂离子、钙离子、钠离子和/或钾离子)，并且与两个电极类似，可以是固体和/或液体形式和/或其混合物。在包括固态电极和固态电解质(或固态隔离件)的固态电池组的情况下，固态电解质(或固态隔离件)可物理地隔离电极，使得不需要明显的隔离件。

3、传统的可再充电电池组通过离子在负电极和正电极之间来回可逆地传递来工作。例如，离子可在电池组充电期间从正电极移动到负电极，并且在电池组放电时沿相反方向移动。这种电池组可以根据需要可逆地向相关负载装置供电。更具体地，可以通过电池组向负载装置供应电力，直到负电极的锂、钙、钠和/或钾含量被有效地耗尽。然后，通过在电极之间沿相反方向通入合适的直流电，电池组可被再充电。

4、在放电期间，负电极可含有相对高浓度的嵌入的锂、钙、钠和/或钾，其被氧化成释放电子的锂离子、钙离子、钠离子和/或钾离子。锂离子、钙离子、钠离子和/或钾离子可从负电极移动到正电极，例如，通过含有在插入的多孔隔离件的孔内的离子导电电解质溶液。同时，电子从负电极通过外部电路到达正电极。这样的锂离子、钙离子、钠离子和/或钾离子可通过电化学还原反应被吸收到正电极的材料中。电池组可在其可用容量被外部电源部分或完全放电之后被再充电或重新赋能，其逆转了放电期间发生的电化学反应。

5、然而，在各种情况下，在第一次(或化成)循环之后，由于例如转化反应和/或在第一次循环期间在负电极上的固体电解质界面(sei)层的形成，以及由于例如连续的固体电解质界面破裂导致的持续的锂损失，一部分嵌入的锂、钙、钠和/或钾与负电极一起保留。锂离子的这种永久损失可导致电池组中的比能量和比功率的降低，这是由于例如不参与电池组可逆操作的添加的正电极质量所致。例如，锂离子电池阻在第一次循环后可经历大于或等于约5％至小于或等于约30％的不可逆容量损失，并且在含硅负电极或其它体积膨胀负电极电活性材料(例如锡、铝、锗)的情况下，在第一次循环后可经历大于或等于约20％至小于或等于约40％的不可逆容量损失。

6、补偿第一次循环的锂、钙、钠和/或钾损失的当前方法包括例如在阳极或阳极材料上沉积(例如，喷涂或挤出或物理气相沉积(pvd))锂、钙、钠和/或钾。然而，在这种情况下，难以(并且昂贵)产生均匀沉积的锂、钙、钠和/或钾层。补偿第一次循环锂、钙、钠和/或钾损失的另一种方法包括例如锂、钙、钠和/或钾金属层合。然而，由于材料对空气和水分的敏感性，这种方法是困难的。碱金属是高反应性材料，使得安全处理困难，特别是在大规模制造的情况下。此外，精确的锂化水平(在锂的情况下)需要锂金属的均匀厚度，这可以难以实现。因此，将希望开发用于电化学电池的改进的电活性和电极材料以及制备和使用它们的方法。

技术实现思路

1、本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

2、本公开涉及电活性材料，并且更具体地讲，涉及用于电化学电池的预锂化电活性材料，以及制备和使用其的方法。

3、在各个方面，本公开提供了一种形成电活性材料的方法，其中方法包括向电化学反应器提供电流或电压，该电化学反应器包括彼此接触的阳离子源、电解质混合物和电活性材料前体，其中电流或电压用于在阳离子源处电离并形成阳离子，该阳离子与在电解质混合物中的电活性材料前体反应以形成电活性材料。

4、在一个方面，电解质混合物可在置于电化学反应器中之前包括电活性材料前体，并且方法还可包括通过使电活性材料前体与电解质接触来制备电解质混合物。电解质混合物可包含大于或等于约1克电活性材料前体/20毫升电解质。

5、在一个方面，阳离子源可包括选自以下的阳离子：锂、钙、钠、钾及其任意组合。

6、在一个方面，阳离子包括锂，并且电活性材料可为预锂化的电活性材料。

7、在一个方面，电活性材料前体可包括正电极电活性材料或负电极电活性材料。

8、在一个方面，负电极电活性材料可包括选自以下的元素：硅、锑、锡、锗、铋及其任何组合。

9、在一个方面，电活性材料可包括多个固态电活性材料颗粒，其中多个固态电活性材料颗粒的至少一部分包括固体电解质界面层。

10、在一个方面，电化学反应器中的电解质混合物可具有大于或等于约25℃至小于或等于约150℃的温度。

11、在一个方面，电流可以以大于或等于约1ma/cm2至小于或等于约25ma/cm2在电化学反应器内提供。

12、在一个方面，电流或电压可以以大于或等于约10小时至小于或等于约100小时的时间段提供。

13、在一个方面，电流或电压可以是第一电流或电压，第一电流或电压可在第一时间段提供，并且方法还可包括在第二时间段提供第二电流或电压，其中第二电流或电压不同于第一电流或电压。

14、在一个方面，方法可进一步包括一个或多个过滤步骤、一个或多个冲洗步骤、或一个或多个过滤步骤和一个或多个冲洗步骤的组合，以从电解质中收集电活性材料。

15、在各个方面，本公开提供了一种用于形成电活性材料的方法。该方法可包括在还包括阳离子源的电化学反应器中使电活性材料前体与电解质接触。阳离子源可包括选自以下的阳离子：锂、钙、钠、钾及其组合。电解质可具有大于或等于约25℃至小于或等于约150℃的温度。方法还可包括向在电化学反应器中与电解质接触的阳离子源提供电流或电压，以电离并形成阳离子，所述阳离子被还原到电活性材料前体上以形成电活性材料。

16、在一个方面，电解质可包含大于或等于约1克电活性材料前体/20毫升电解质。

17、在一个方面，阳离子可包括锂，并且电活性材料可为预锂化的电活性材料。

18、在一个方面，电活性材料前体可包括选自以下的负电极电活性材料：硅、锑、锡、锗、铋、以及它们的组合。

19、在一个方面，电流可以以大于或等于约1ma/cm2至小于或等于约25ma/cm2在电化学反应器内提供。

20、在一个方面，电流或电压可以以大于或等于约10小时至小于或等于约100小时的时间段提供。

21、在一个方面，电流或电压可为第一电流或电压，第一电流或电压可在第一时间段提供，并且方法还可包括在第二时间段提供第二电流或电压，其中第二电流电压不同于第一电流或电压。

22、在各个方面，本公开提供了一种用于使电活性材料预锂化的方法。方法可包括在还包含锂源的电化学反应器中使电活性材料前体与电解质接触。电解质可具有大于或等于约25℃至小于或等于约150℃的温度。电化学反应器可包含大于或等于约1克电活性材料前体/20毫升电解质。方法还可包括向在电化学反应器中与电解质接触的锂源提供电流或电压，以电离并形成与电活性材料前体反应以形成电活性材料的锂离子。

23、本发明公开了以下实施方案：

24、1.一种用于形成电活性材料的方法，所述方法包括：

25、向电化学反应器提供电流或电压，所述电化学反应器包含彼此接触的阳离子源、电解质混合物和电活性材料前体，其中所述电流或电压用于在阳离子源处电离并形成阳离子，所述阳离子与在所述电解质混合物中的电活性材料前体反应以形成电活性材料。

26、2.根据实施方案1所述的方法，其中所述电解质混合物包含所述电活性材料前体，并且所述方法还包括：

27、通过在将所述电活性材料前体置于所述电化学反应器中之前使所述电活性材料前体与电解质接触来制备所述电解质混合物，其中所述电解质混合物包含大于或等于约1克电活性材料前体/20毫升电解质。

28、3.根据实施方案1所述的方法，其中所述阳离子源包含选自以下的阳离子：锂、钙、钠、钾及其任意组合。

29、4.根据实施方案3所述的方法，其中所述阳离子包括锂，并且所述电活性材料是预锂化的电活性材料。

30、5.根据实施方案1所述的方法，其中所述电活性材料前体包括正电极电活性材料或负电极电活性材料。

31、6.根据实施方案5所述的方法，其中所述负电极电活性材料包含选自以下的元素：硅、锑、锡、锗、铋及其任何组合。

32、7.根据实施方案1所述的方法，其中所述电活性材料包括多个固态电活性材料颗粒，其中所述多个固态电活性材料颗粒的至少一部分包括固体电解质界面层。

33、8.根据实施方案1所述的方法，其中所述电化学反应器中的电解质混合物具有大于或等于约25℃至小于或等于约150℃的温度。

34、9.根据实施方案1所述的方法，其中所述电流以大于或等于约1ma/cm2至小于或等于约25ma/cm2在所述电化学反应器内提供。

35、10.根据实施方案1所述的方法，其中所述电流或电压以大于或等于约10小时至小于或等于约100小时的时间段提供。

36、11.根据实施方案1所述的方法，其中所述电流或电压是第一电流或电压，所述第一电流或电压是在第一时间段提供的，并且所述方法还包括在第二时间段提供第二电流或电压，其中所述第二电流或电压不同于所述第一电流或电压。

37、12.根据实施方案1所述的方法，其中所述方法还包括一个或多个过滤步骤、一个或多个冲洗步骤、或一个或多个过滤步骤和一个或多个冲洗步骤的组合，以从所述电解质收集所述电活性材料。

38、13.一种用于形成电活性材料的方法，所述方法包括：

39、使电活性材料前体与电解质在电化学反应器中接触，所述电化学反应器还包含阳离子源，所述阳离子源包含选自以下的阳离子：锂、钙、钠、钾及其组合，所述电解质具有大于或等于约25℃至小于或等于约150℃的温度；以及

40、向在电化学反应器中与所述电解质接触的阳离子源提供电流或电压，以电离并形成阳离子，所述阳离子被还原到所述电活性材料前体上以形成所述电活性材料。

41、14.根据实施方案13所述的方法，其中所述电解质包含大于或等于约1克电活性材料前体/20毫升电解质。

42、15.根据实施方案13所述的方法，其中所述阳离子包括锂，并且所述电活性材料是预锂化的电活性材料。

43、16.根据实施方案13所述的方法，其中所述电活性材料前体包含选自以下的负电极电活性材料：硅、锑、锡、锗、铋、以及它们的组合。

44、17.根据实施方案13所述的方法，其中所述电流以大于或等于约1ma/cm2至小于或等于约25ma/cm2在所述电化学反应器内提供。

45、18.根据实施方案13所述的方法，其中提供所述电流或电压的时间段大于或等于约10小时至小于或等于约100小时。

46、19.根据实施方案13所述的方法，其中所述电流或电压是第一电流或电压，所述第一电流或电压在第一时间段提供，并且所述方法还包括在第二时间段提供第二电流或电压，其中所述第二电流电压不同于所述第一电流或电压。

47、20.一种用于使电活性材料预锂化的方法，所述方法包括：

48、在还包含锂源的电化学反应器中使电活性材料前体与电解质接触，所述电解质具有大于或等于约25℃至小于或等于约150℃的温度，并且包含大于或等于约1克电活性材料前体/20毫升电解质；以及

49、向在电化学反应器中与电解质接触的锂源提供电流或电压，以电离并形成锂离子，所述锂离子与所述电活性材料前体反应以形成电活性材料。

50、从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得显而易见。本技术实现要素：中的描述和具体实例仅意在用于说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。