电化学全电池对于阴极和阳极均具有大约SOcm2的活性面积。电化学全电池实施例4采用CC-CV程序充电和放电并使用Maccor测试仪在2.75-4.2V之间进行恒电流放电。该电池以一电流密度范围被放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例4的蓄电池到达大于约llmAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。在C/2的倍率(对应于约4.8mA/cm2的电流密度)下，实施例4的蓄电池具有约5.7mAh/cm2的面积比容量。在IC的倍率(对应于约6.8mA/cm2的电流密度)下，面积比容量为约7mAh/cm2。在这些C-倍率下，面积比容量大于比较例I和比较例2的蓄电池。此外，随着电流密度超过约6mA/cm2，与比较例I和比较例2的蓄电池相比，面积比容量下降更快。
[0171]实施例5
[0172]使用半固体阴极和锂金属阳极制备电化学半电池实施例5(也称为“实施例5”)。阴极浆料通过如下制备:将55体积％的Li (Mn，Co，附)02和4体积％的碳添加加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用配备有辊磨刃的分批式混合器来制备。混合在10rpm下进行约4分钟。楽料被制成约250 μ m厚的电极，其相对于Li金属阳极在Swagelok电极体系中进行测试。采用Maccor蓄电池测试仪测试电池，并且在2-4.3V的电压范围之内循环。电池使用CC-CV程序充电，其中恒电流倍率对于前两个循环为C/10和C/8，且对于之后的循环为C/5 ο在恒电流充电之后在4.2V保持恒定电压，直至充电电流降至低于C/20。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例5的蓄电池具有大于约9.5mAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。在C/2的倍率(对应于约4.5mA/cm2的电流密度)下，实施例5的蓄电池具有大于8mAh/cm2的面积比容量。在IC的倍率(对应于约7mA/cm2的电流密度)下，面积比容量为约7mAh/cm2。此外，随着电流密度超过约6mA/cm2，与比较例I和比较例2的蓄电池相比，面积比容量下降更快。
[0173]实施例6
[0174]使用半固体阴极和锂金属阳极制备电化学半电池实施例6(也称为“实施例6”)。阴极浆料通过如下制备:将60体积％的Li (Mn，Co，附)02和2体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用配备有辊磨刃的分批式混合器来制备。混合在10rpm下进行约4分钟。阴极浆料被制成约250 μ m厚的半固体，并且相对于Li金属阳极在Swagelok电极体系中进行测试。采用Maccor蓄电池测试仪测试电池，并且在V = 2-4.3V的电压范围之内循环。电池使用CC-CV程序充电，其中恒电流速率对于前两个循环为C/10和C/8，并且对于之后的循环为C/5。在恒电流充电之后在4.2V保持恒定电压直至充电电流降至低于C/20。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例6的蓄电池具有大于约11.5mAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。在C/2的倍率(对应于约4.5mA/cm2的电流密度)下，实施例6的蓄电池具有大于9mAh/cm2的面积比容量。在IC的倍率(对应于约7.5mA/cm2的电流密度)下，面积比容量为约7mAh/cm2。此外，随着电流密度超过约6mA/cm2，与比较例I和比较例2的蓄电池相比，面积比容量下降更快。
[0175]实施例7
[0176]电化学全电池实施例7 (也称为“实施例7” )包括由40体积％的LiFePO4配制成的半固体阴极，使得半固体阴极具有约500 μπι的厚度。由35体积％的石墨和2体积%的碳添加剂配制成半固体阳极，从而使得阳极具有约500 μ m的厚度，并且半固体阴极相对于半固体阳极进行测试。LFP半固体阴极通过如下制备:将40体积％的LFP和2体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用配备有辊磨刃的分批式混合器来制备。混合在10rpm下进行约4分钟。石墨半固体阳极使用与阴极相同的电解质将40体积％的石墨和2体积％的炭黑混合来制备。阳极浆料配方在10rpm下混合约30秒以产生半固体阳极悬浮液。实施例7的电化学电池对阴极和阳极均具有大约SOcm2的活性面积。电化学全电池实施例7采用CC-CV程序充电并使用Maccor测试仪在2.0-3.9V之间进行恒电流放电。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例7的蓄电池具有大于约9mAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。在C/2的倍率(对应于约4mA/cm2的电流密度)下，实施例7的蓄电池具有大于8mAh/cm2的表面比容量。在IC的倍率(对应于约6mA/cm2的电流密度)下，面积比容量为约6mAh/cm2。此外，随着电流密度超过约6mA/cm2，与比较例I和比较例2的蓄电池相比，面积比容量下降更快。
[0177]实施例8
[0178]电化学全电池实施例8 (也称为“实施例8” )包括由45体积％的LiFePO4配制成的半固体阴极，使得半固体阴极具有约330 μπι的厚度。由40体积％的石墨和2体积％的碳添加剂配制成半固体阳极，使得阳极具有约500 μ m的厚度，并且半固体阴极相对于半固体阳极进行测试。LFP半固体阴极通过如下制备:将45体积％的LFP和1.9体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用配备有辊磨刃的分批式混合器来制备。混合在10rpm下进行约25分钟。石墨半固体阳极使用与阴极相同的电解质将40体积％的石墨和2体积％的炭黑混合来制备。阳极浆料配方在10rpm下混合约30秒以产生半固体阳极悬浮液。实施例8的电化学电池对于阴极和阳极均具有大约80cm2的活性面积。电化学全电池实施例8采用CC-CV程序充电。使用Maccor测试仪在2.0-3.9V之间进行恒电流放电。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例8的蓄电池具有约9mAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。
[0179]实施例9
[0180]电化学全电池实施例9 (也称为“实施例9” )包括由45体积％的LiFePO4配制成的半固体阴极，使得半固体阴极具有约470 μ m的厚度。由40体积％的石墨和2体积％的碳添加剂配制成半固体阳极，使得阳极具有约500 μπι的厚度，并且半固体阴极相对于半固体阳极进行测试。LFP半固体阴极通过如下制备:将45体积％的LFP和2体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用配备有辊磨刃的分批式混合器来制备。混合在10rpm下进行约25分钟。石墨半固体阳极使用与阴极相同的电解质将40体积％的石墨和2体积％的炭黑混合来制备。阳极浆料配方在10rpm下混合约30秒以产生半固体阳极悬浮液。实施例9的电化学电池对于阴极和阳极均具有大约SOcm2的活性面积。电化学全电池实施例9采用CC-CV程序充电且使用Maccor测试仪在2.0-3.9V之间进行恒电流放电。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例9的蓄电池具有大于约11.5mAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。
[0181]实施例10
[0182]电化学全电池实施例10 (也称为“实施例10 ” )包括由45体积%的LiFePO4配制成的半固体阴极，使得半固体阴极具有约500 μ m的厚度。由40体积％的石墨和1.5体积%的碳添加剂配制成半固体阳极，使得阳极具有约500 μπι的厚度，并且半固体阴极相对于半固体阳极进行测试。LFP半固体阴极通过如下制备:将45体积％的LFP和2体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用高速叶片式混合器来制备。混合进行约15秒直至该半固体阴极浆料均匀。石墨半固体阳极使用与阴极相同的电解质将40体积％的石墨和1.5体积％的炭黑混合来制备。阳极浆料配方也在高速叶片式混合器中混合约15秒直至均匀。实施例10的电化学电池对于阴极和阳极均具有大约SOcm2的活性面积。电化学全电池实施例10采用CC-CV程序充电且使用Maccor测试仪在2.0-3.9V之间进行恒电流放电。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例10的蓄电池具有大于约llmAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。
[0183]实施例11
[0184]电化学全电池实施例11 (也称为“实施例11”)包括由50体积%的LiFePO4配制成的半固体阴极，使得半固体阴极具有约454 μπι的厚度。由50体积％的石墨和2体积％的碳添加剂配制成半固体阳极，使得阳极具有约386 μπι的厚度，并且半固体阴极相对于半固体阳极进行测试。LFP半固体阴极通过如下制备:将50体积％的LFP和0.8体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用离心行星式混合器在1250rpm下混合90秒来制备。石墨半固体阳极使用与阴极相同的电解质将50体积％的石墨和2体积％的炭黑混合来制备。阳极浆料配方使用离心行星式混合器在650rpm下混合约5分钟来制备。实施例11的电化学电池对于阴极和阳极均具有大约SOcm2的活性面积。电化学全电池实施例11采用CC-CV程序充电且使用Maccor测试仪在2.0-3.9V之间进行恒电流放电。电池以一系列的电流密度放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例11的蓄电池具有大于约lOmAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。
[0185]实施例12
[0186]电化学全电池实施例12 (也称为“实施例12”)包括由60体积％的LiCoO2配制成的半固体阴极，使得半固体阴极具有约408 μπι的厚度。由67体积％的石墨和2体积％的碳添加剂配制成半固体阳极，使得阳极均匀约386 μπι的厚度，并且半固体阴极针对半固体阳极进行测试。半固体阴极通过如下制备:将60体积％的LiCoOjP 0.9体积％的碳添加剂与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯/LiPF6基的电解质混合。阴极浆料使用离心行星式混合器在1300rmp下混合90秒来制备。石墨半固体阳极使用与阴极相同的电解质通过将67体积％的石墨和2体积％的炭黑混合来制备。阳极浆料配方通过离心行星式混合器以1300rmp混合约90秒来制备。实施例12的电化学电池对于阴极和阳极均具有大约SOcm2的活性面积。电化学全电池实施例12采用CC-CV程序充电且使用Maccor测试仪在2.75-4.1V之间进行恒电流放电。如图20所示，在低于C/4的C-倍率下，实施例12的蓄电池具有大于约12mAh/cm2的面积比容量，远大于比较例I和比较例2的蓄电池。
[0187]图20表明，实施例1至实施例12的电化学电池的每一个在直至2C的C-倍率下相对于比较例I和比较例2具有相当优异的面积比容量。此外，在非常高的C-倍率(例如大于2C的C-倍率)下，这些包括半固体电极的电化学电池仍然具有优于比较例I和比较例2的面积比容量。例如，在约lOmA/cm2以上的电流密度下，比较例I和比较例2的各自的面积比容量为约OmAh/cm2，这意味着，无法从蓄电池中引出电流。与此相反，在10mA/cm2的电流密度下，实施例1至实施例12的每一个的电池仍保留了它们的理论面积比容量的相当大的一部分。特别地，实施例4的电池在对应于约2C的C-倍率的lOmA/cm2的电流密度下仍具有约5mAh/cm2的电荷容量，其为在C/2的C-倍率下看到的面积比容量的约50%。因此，包括本文中描述的半固体电极的电化学电池，与传统的电化学电池相比可具有更高的面积比容量，并且也可以在高的倍率下放电，同时维持显著的百分比例的面积比容量。
[0188]虽然系统的各种实施方案、方法和装置已经在上面描述，但是应该理解的是，它们仅以举例而不是限制的方式提出。其中，上述方法和步骤表示某些事件以一定的顺序发生，受益于本公开的本领域普通技术人员会认识到某些步骤的顺序可以被修改，并且这样的修改都是按照本发明进行的变型。此外，在可能的情况下，与上所述顺序执行相同，某些步骤可以同时以并行的过程被执行。实施方案已经被具体地展示和描述，但可以理解的是，在形式和细节上可以作出各种改变。
【主权项】
1.电化学电池，包括: 阳极； 半固体阴极，该半固体阴极包括约35体积％至约75体积%的活性材料和约0.5体积%至约8体积%的导电材料在非水液体电解质中的悬浮液；和 离子渗透膜，该离子渗透膜设置在所述阳极和所述半固体阴极之间， 其中，所述半固体阴极具有约250 μπι至约2000 μπι范围的厚度，并且 其中，所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。2.权利要求1的电化学电池，其中所述半固体阴极具有至少约103S/cm的电子导电率。3.权利要求1的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/4的C-倍率下具有至少约8mAh/cm2的面积比容量。4.权利要求3的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/4的C-倍率下具有至少约9mAh/cm2的面积比容量。5.权利要求4的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/4的C-倍率下具有至少约10mAh/cm2的面积比容量。6.权利要求1的电化学电池，其中所述半固体阴极中的所述活性材料为约50体积％至约75体积％。7.权利要求6的电化学电池，其中所述半固体阴极中的所述活性材料为约60体积％至约75体积％。8.权利要求1的电化学电池，其中所述半固体阴极中的所述导电材料为约I体积％至约6体积％。9.权利要求1的电化学电池，其中所述半固体阴极悬浮液具有至少约0.90的混合指数。10.电化学电池，其包括: 半固体阳极，该半固体阳极包括约35体积％至约75体积％的第一活性材料和约O体积％至约10体积％的第一导电材料在第一非水液体电解质中的悬浮液； 半固体阴极，该半固体阴极包括约35体积％至约75体积％的第二活性材料和约0.5体积％至约8体积％的第二导电材料在第二非水液体电解质中的悬浮液；和离子渗透膜，该离子渗透膜设置在所述半固体阳极和所述半固体阴极之间； 其中，所述半固体阳极和所述半固体阴极各自具有约250 μπι至约2000 μπι范围的厚度，并且 其中，所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。11.权利要求10的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/4的C-倍率下具有至少约8mAh/cm2的面积比容量。12.权利要求11的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/4的C-倍率下具有至少约9mAh/cm2的面积比容量。13.权利要求12的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/4的C-倍率下具有至少约10mAh/cm2的面积比容量。14.权利要求10的电化学电池，其中所述半固体阳极中的所述第一导电材料为约0.5体积％至约2体积％。15.权利要求10的电化学电池，其中所述半固体阴极中的所述第二活性材料为约50体积％至约75体积％。16.电化学电池，其包括: 阳极； 半固体阴极，该半固体阴极包括约35体积％至约75体积%的活性材料和约0.5体积%至约8体积%的导电材料在非水液体电解质中的悬浮液；和 离子渗透膜，该离子渗透膜设置在所述阳极和所述半固体阴极之间， 其中，所述半固体阴极具有约250 μπι至约2000 μπι范围的厚度，并且 其中，所述电化学电池在C/2的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。17.权利要求16的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/2的C-倍率下具有至少约8mAh/cm2的面积比容量。18.权利要求17的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/2的C-倍率下具有至少约9mAh/cm2的面积比容量。19.权利要求18的电化学电池，其中所述半固体阴极在C/2的C-倍率下具有至少约10mAh/cm2的面积比容量。20.权利要求16的电化学电池，其中所述半固体阴极悬浮液具有至少约0.90的混合指数。21.电化学电池，其包括: 半固体阳极，该半固体阳极包括约35体积％至约75体积％的第一活性材料和约O体积％至约10体积％的第一导电材料在第一非水液体电解质中的悬浮液； 半固体阴极，该半固体阴极包括约35体积％至约75体积％的第二活性材料和约0.5体积％至约8体积％的第二导电材料在第二非水液体电解质中的悬浮液；和离子渗透膜，该离子渗透膜设置在所述半固体阳极和所述半固体阴极之间； 其中，所述半固体阳极和所述半固体阴极各自具有约250 μπι至约2000 μπι范围的厚度，并且 其中，所述电化学电池在C/2的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。22.权利要求21的电化学电池，其中所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。23.权利要求22的电化学电池，其中所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少约8mAh/cm2的面积比容量。24.权利要求21的电化学电池，其中所述半固体阳极和所述半固体阴极各自具有约250 μ m至约600 μ m的范围内的厚度。25.权利要求24的电化学电池，其中所述半固体阳极和所述半固体阴极各自具有约300 μ m至约600 μ m范围的厚度。26.权利要求25的电化学电池，其中所述半固体阳极和所述半固体阴极各自具有约350 μ m至约600 μ m范围的厚度。27.权利要求26的电化学电池，其中所述半固体阳极和所述半固体阴极各自具有约400 μ m至约600 μ m范围的厚度。28.权利要求21的电化学电池，其中所述半固体阳极中的所述第一导电材料为约0.5体积％至约2体积％。29.权利要求21的电化学电池，其中所述半固体阴极中的所述第二活性材料为约50体积％至约75体积％。
【专利摘要】本文所述实施方案主要涉及具有高倍率性能的电化学电池，并且更特别地涉及制备具有较厚的半固体电极的高容量且高倍率性能的蓄电池的装置、系统和方法。在一些实施方案中，电化学电池包括阳极和半固体阴极。该半固体阴极包括约35体积％至约75体积％的活性材料和约0.5体积％至约8体积％的导电材料在非水液体电解质中的悬浮液。离子渗透膜设置在该阳极和该半固体阴极之间。该半固体阴极具有约250μm至约2000μm范围的厚度，并且所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。在一些实施方案中，半固体阴极浆料具有至少约0.9的混合指数。
【IPC分类】H01M4/485, H01M10/04, H01M4/58, H01M4/02
【公开号】CN105074965
【申请号】CN201380065437
【发明人】Y-M·蒋, M·杜度塔, R·霍尔曼, P·利姆通科, T·谭
【申请人】24M技术公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2013年12月13日
【公告号】CA2895142A1, EP2932542A1, US8993159, US9184464, US20140170524, US20150280267, WO2014093876A1