使用双凹面电极颗粒减轻锂蓄电池材料的机械降级的制作方法

专利名称：使用双凹面电极颗粒减轻锂蓄电池材料的机械降级的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过在电极的一部分或全部中包含双凹面形颗粒来減少锂蓄电池中的机械降级的方法，例如锂蓄电池的电极材料。
背景技术：
在此提供的背景说明是为了总体上介绍本发明背景的目的。当前所署名发明人的工作(在背景技术部分描述的程度上)和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各方面，既不明显地也非隐含地被承认为与本发明相抵触的现有技木。蓄电池电极活性材料的选择包括这样的考虑例如包含蓄电池的特定装置的期望能量或功率输出和任何尺寸限制。在可再充电蓄电池的情况下，还考虑容量和倍率性能或者蓄电池接收和输送电荷的数量以及速率。在电动车辆或其他高功率应用中，由于这些应用需要的扩展里程和高充电以及放电速率，容量和倍率性能(rate capability)两者都是主要优先级。关于锂蓄电池，由于在新蓄电池的初始充电和放电循环之后存在“初始循环不可逆性”或者可用锂的5-50%损失，因而存在容量和倍率性能的损失。因而，初始循环不可逆性降低蓄电池对于随后充电和放电的存储和输送容量。这引起随后充电和放电循环的容量的显著降低。为了补偿初始循环不可逆性和存储容量的降低，蓄电池尺寸可能増加。然而，这些和其他补偿具有缺陷。在锂离子蓄电池中，能量通过锂离子扩散通过电解质从阳极到蓄电池中的阴极而供应。在充电和放电操作期间，锂夹带进出活性电极材料。由于机动车应用根据车辆类型具有变化的能量存储和能量功率需求，因而在车辆操作期间加速度、功率需求和锂的扩散或退回的速率变化。锂的扩散，具体地其浓度梯度，造成在电极材料中的扩散引起的应力。据报道，这些应カ损害电极材料，导致负责提供容量的锂的截留；和电子和离子传导性(这对于在电极材料内传输活性锂是必要的)的降低。

发明内容
该部分提供本发明的总体概述，且不是其全部范围或者其所有特征的详尽公开。在各个实施例中，本教导提供ー种锂蓄电池，在充电-放电循环期间在经受扩散引起的应カ之后具有減少的机械降级。蓄电池包括阳极和阴极。阳极和阴极中的至少ー个包括多个双凹面形颗粒。在本教导的其他方面，提供减轻锂离子蓄电池中的机械降级的方法。由多个双凹面形颗粒形成的至少ー个电极设置在蓄电池壳体中。在本教导的其他方面，提供减轻锂蓄电池中的机械降级的方法。在充电或放电期间，锂扩散或迁移通过形成电极的多个双凹面形颗粒。在双凹面形颗粒中，凸和凹表面的组合界定体积，这在锂迁移进出活性材料时引起会聚和发散的锂扩散前鋒。与具有单个表面曲率的常规使用颗粒相比，由于会聚和发散的扩散前锋引起的静应カ导致存储在每个颗粒中的较低弹性应变能量，且引起较少机械损害。方案I. 一种在充电-放电循环引起的锂扩散之后具有减少的机械降级的锂蓄电池，包括
阳极；和
阴极，其中，所述阳极和阴极中的至少ー个包括多个双凹面颗粒。方案2.根据方案I所述的锂蓄电池，其中，所述双凹面颗粒提供会聚锂扩散和分散锂扩散的组合，所述会聚锂扩散提供锂的会聚扩散通量，所述分散锂扩散提供锂的分散扩散通量。方案3.根据方案2所述的锂蓄电池，其中，会聚锂扩散通量和分散锂扩散通量的 组合导致減少的应カ和弾性应变能量。方案4.根据方案I所述的锂蓄电池，其中，每个双凹面颗粒包括由环形外部界定的中心区域。方案5.根据方案4所述的锂蓄电池，其中，所述环形外部具有的高度大于中心区域的高度。方案6.根据方案4所述的锂蓄电池，其中，所述环形外部具有的高度是中心区域的高度的至少两倍。方案7.根据方案4所述的锂蓄电池，其中，所述环形外部提供会聚锂扩散。方案8.根据方案4所述的锂蓄电池，其中，所述中心区域提供分散锂扩散和锂的更快饱和，从而减少环形外部中的锂浓度梯度。方案9.根据方案I所述的锂蓄电池，其中，与具有与双凹面颗粒相同体积的球形或圆柱形颗粒的锂存储速率相比，所述双凹面颗粒在类似操作状况下提供更快的锂存储速率。方案10. —种减轻锂蓄电池中的机械降级的方法，包括
将由多个双凹面颗粒形成的至少ー个电极设置到蓄电池壳体中；和 用锂源装料所述至少ー个电扱。方案11.根据方案10所述的方法，还包括将所述多个双凹面颗粒粘附在一起以形成电极。方案12.根据方案10所述的方法，还包括将所述多个双凹面颗粒围绕内部芯部粘附在一起。方案13.根据方案10所述的方法，还包括通过双凹面颗粒扩散来自于所述源的锂。方案14.根据方案13所述的方法，还包括在双凹面颗粒的中心区域处沿分散扩散前锋扩散锂与围绕中心区域的周边区域处的会聚扩散相结合，以减少锂的浓度梯度。方案15.根据方案14所述的方法，其中，在中心区域处沿分散扩散前锋扩散锂与周边区域处的会聚扩散前锋相结合，以减少电极中的应カ和应变能量。方案16.根据方案10所述的方法，其中，电极是阳极或阴极。方案17. —种减轻锂蓄电池中的机械降级的方法，包括
通过构成电极的多个双凹面颗粒扩散来自于锂源的锂；和 从双凹面颗粒的相对表面沿分散路径分配锂。
方案18.根据方案17所述的方法，还包括使得所述至少一个电极与锂源接触。方案19.根据方案17所述的方法，其中，所述双凹面颗粒包括由环形外部界定的中心区域。方案20.根据方案19所述的方法，其中，所述环形外部具有的高度大于中心区域的高度。方案21.根据方案19所述的方法，其中，所述环形外部具有的高度是中心区域的高度的至少两倍。方案22.根据方案17所述的方法，还包括减少所述多个双凹面颗粒中的浓度梯 度。从本文所提供的描述可清楚其他应用领域。该发明内容中的描述和特定示例仅仅旨在用于说明目的，而不旨在限制本发明的范围。


在此所述的附图仅仅是图示说明选定实施例而不是所有可能实施方式的目的，且不旨在限制本发明的范围。图I图示根据本教导各个方面的蓄电池；
图2图示根据本教导各个实施例的双凹面电极颗粒；
图3图示根据本教导各个实施例的双凹面电极颗粒的截面；
图4图示根据本教导各个实施例的锂沿凸和凹表面处会聚和发散的扩散前锋的组合移动的方向，这减少双凹面电极颗粒内存储的静弹性应变能量；
图5图示依照根据本教导各个实施例的方法制造的示例性双凹面颗粒；
图6图示锂沿单曲率表面处的扩散前锋的移动，这減少相当的现有技术电极颗粒内存储的静弾性应变能量；和
图7图示根据本教导各个实施例的对减轻机械降级和増加双凹面电极颗粒的比能量存储容量的改进。贯穿附图的多个视图，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施例方式以下描述在本质上仅仅是说明性的，且绝不g在限制本发明、其应用或者使用。为清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记，以表示类似的元件。如本文使用的，短语“A、B和C中的至少ー个”应当被理解为表示使用非排他逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法中的各步骤可在不改变本发明的原理的情况下以不同的顺序执行。为了描述简单，空间相对用词，例如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等可在本文用于描述附图所示的一个元件或特征与另ー个元件或特征的关系。除了附图所示的取向之外，空间相对用词可g在涵盖在使用或操作中装置的不同取向。例如，如图附图中的装置翻转，那么描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件于是将定向在其他元件或特征“上方”。因而，示例性用词“下方”可以涵盖上方和下方的取向两者。所述装置能以其他方式取向(旋转90度或者处于其他取向)且本文使用的空间相对描述词被相应地解释。
同样，如本文使用的，措词“第一”、“第二”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将ー个元件与另ー个元件进行区分；措词“该”、“一”并不表示数量的限制，而是表示存在至少ー个所引用项。此外，本文公开的所有范围包括端点且可以独立地组合。本发明的广泛教导可以以多种形式实施。因此，尽管本发明包括特定示例，但是本发明的实际范围不应当如此限制，因为通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于技术人员是显而易见的。參考图I，本教导涉及用于蓄电池100的电极。蓄电池100包括阳极102、阴极104、分离器106、蓄电池壳体108、和集电器110。蓄电池100还包括电解质。当蓄电池100是锂离子系统时，电解质提供锂离子的源和传输机构，而电极提供锂的存储机构。虽然图I的蓄电池100是简化图示，作为非限制性示例，示例性蓄电池系统包括基于锂的蓄电池、基于硅的蓄电池、锂硫蓄电池、和锂·空气蓄电池。为了满足锂离子系统的高能量需求，需要足够的表面面积，锂通过该表面面积夹带到活性电极材料中。如果电极的表面面积过小，那么存在不够的锂离子夹带，这导致较低充电和放电速率。如本文详细描述的，本教导在一定范围的充电和放电循环内增加充电和放电性能。作为非限制性示例，该范围的充电和放电循环包括10、50、100、200或1000个充电和放电循环，包括所有子范围。在另外方面，该范围的充电和放电循环大于1000。图2图示根据本教导的各方面的双凹面颗粒10。双凹面形状提供大表面面积每单位体积。例如，在具有与球形或圆柱体相同体积的双凹面形状中，双凹面形状具有比球形或圆柱体更大的表面面积。该大表面面积允许使用双凹面颗粒10制成的电极利于类似或更高存储容量，同时由于提高的表面面积在更宽范围的电流下操作。要注意的是，这将双凹面颗粒10从前文标识的形状区分，如本文稍后的示例部分详细描述的那样。此外，与常规形状颗粒相比，引起会聚和发散的锂扩散前锋的双凹面形状颗粒中凸和凹表面曲率的组合有效地降低应カ和弾性应变能量范围。另外，蓄电池100的操作状况要求材料的应カ阈值。在蓄电池操作期间的最大比应变能量表示在没有机械降级的情况下将耐受的充电和放电电流量。双凹面颗粒10的形状减少电极102或104的应变能量，从而允许在操作状况期间其实现进入电极102或104的锂的较高浓度和充电(电流)速率。因而，本教导的双凹面颗粒10允许蓄电池在更宽范围的电流下操作。应当理解，根据本教导，双凹面颗粒10的轮廓、锂扩散的增加表面面积、得到的双凹面颗粒10中的应カ和比弹性应变能量的分配提供电极102或104中的活性材料的改进性能和降低机械降级(包括破裂或分裂，作为非限制性示例)的协同作用。此外，应当理解，双凹面颗粒10提供更好的处理特性，例如结构上稳定的、在处理期间不太可能破裂、与薄片颗粒相比聚结的趋势降低、且还具有比纤维颗粒更好的包装效率。双凹面形状颗粒10包括围绕中心区域14提供周边的环形外部12。双凹面颗粒10包括上表面16和下表面18。如图3中最佳地图示,在截面图中，上表面16和下表面18在围绕中心区域14的周边处总体上是凸的。然而，在中心区域14处，上表面16和下表面18总体上是凹的。凹和凸的该组合提供本教导的双凹面形状颗粒特征。如图3所示，环形外部12总体上是圆形的。应当理解的是，环形区域还可以具有其他总体上凸的弧形形状，例如椭圆形或具有至少ー个弧形特征的自由形式的形状。在各个实施例中，环形外部12具有的高度是中心区域14的高度的至少两倍。在其他实施例中，环形外部12具有的高度是中心区域14的高度的大于两倍且小于10倍，包括所有子范围。在另外的实施例中，根据本教导，环形外部12是中心区域14的高度的3倍或4倍厚。如图3所示，中心区域14的厚度变化，使得其在竖直轴线200和水平轴线210的交点处较小，在该交点处，上表面16和下表面18最紧邻。中心区域14的高度沿水平轴线210朝向环形外部12増加。中心区域14的高度可以沿中心区域14在任何点測量，以用于与环形外部12的高度进行比较。在各个方面，中心区域14的高度在最低(如图所示在竖直轴线200和水平轴线210的交点处)处获取且与最大高度处的环形外部12高度进行比较。当环形外部12是圆形的时，如图3所示，圆的直径用作环形外部12的最大高度。然而，在环形外部12是椭圆形或具有其他总体上弧形形状的实施例中，环形外部12的參考测量任选地从沿椭圆形或其他总体上弧形形状的任何点处获取。在各个实施例中，应当理解的是，双凹面颗粒10可包括不对称特征。例如在ー侧具有椭圆形且在另ー侧具有更圆形状的环形外部。不对称特征可由于成型过程或者由于在制造或处理的一些点期间颗粒的不均匀压缩。在这种实施例中，环形外部12和中心区域14 的相对高度可以对更椭圆形侧和更圆形侧两者计算，且任一測量都适合用于比较环形外部12与中心区域14的相对高度。应当理解的是，具有凸表面的任何形状适合于本教导，包括卵形、椭圆形等。中心区域14和环形外部12之间的相对高度差可以沿双凹面颗粒10的水平轴线210延伸。例如，在双凹面颗粒10沿水平轴线210具有较短长度时，环形外部12和中心区域14之间的高度減少速率急剧，从而形成较厚和较短双凹面颗粒10。在双凹面颗粒10相对于水平轴线210具有较长长度的各个实施例中，环形外部12和中心区域14之间的高度減少速率更平缓，从而形成细长和较薄双凹面颗粒。双凹面颗粒10相对于水平轴线210的长度被限制以防止双凹面颗粒10变得太平坦或者盘状形状，以使得本文所述的双凹面特征的益处最小化。转向图4，颗粒的双凹面导致稍后详细描述的锂扩散前锋的具体类型。令人惊奇地，本教导的双凹面颗粒10采用形状影响的扩散前锋引起的应カ分配的组合以提供本文详细描述的电极102和/或104的减少机械降级、优化性能和长寿命。双凹面形状颗粒的锂扩散跨过凹表面22和凸表面24发生，如图4所示。箭头示出了在颗粒一致地经受其表面上的锂给定通量时锂的扩散方向，取决于电池的充电/放电状況。该方向大致正交于颗粒的表面。颗粒中心区域处的凹表面22引起箭头26a和26b所示的分散扩散前鋒。来自于箭头26a和26b的锂扩散前锋在前锋相遇之前还具有比箭头28a和28b所示的凸表面处的锂扩散前锋更短的距离。由于中心区域的厚度较小，其在环形区域之前饱和且将锂供应给环形部段的中心芯部。这显著地降低环形部段中的浓度梯度。因而，由于凹和凸表面的组合得到的扩散前锋组合不仅导致颗粒用锂的更快填充，而且降低颗粒内经受的应カ和弾性应变能量。如果未被控制，某些扩散应カ在穿过材料阈值时引起电极的破裂。当锂以特定速率(总体上响应于例如车辆的功率需求)被“推入”或“拉出”电极102和104时，在锂浓度中存在梯度，这导致跨过颗粒的应カ。据报道，这些应力导致机械降级，例如电极材料的破裂或分裂，这继而导致蓄电池100的降低倍率性能和性能。
关于本教导的双凹面颗粒10的应力，取决于双凹面颗粒10的不同区域的表面曲率，双凹面颗粒10提供锂的分散和会聚扩散前鋒。元件22处所示的箭头表示锂的分散扩散路径。如本文所示的，“分散扩散”指的是锂朝向双凹面颗粒10内部传输，其中，锂以远离紧邻区域的锂通量的方向迁移。例如，在箭头26a处沿上表面16进入双凹面颗粒10的表面的锂不与在箭头26b处在紧邻区域进入双凹面颗粒10的表面的锂相交。箭头26a和26b的轨迹使得跟随相应箭头方向的锂离子将不会相遇和积聚，而是移动彼此远离或者根据分散路径，从而允许锂离子的自由流动。仍參考图4，元件24处所示的箭头表示锂的会聚扩散。如本文使用的，“会聚扩散”指的是锂朝向双凹面颗粒10的内部传输，其中，锂离子以与紧邻区域的锂的方向相交的方 向迁移。此外，如果会聚的锂随后不弥散，锂将“堵塞”在颗粒中且阻止锂离子的附加迁移，从而降低性能。例如，在箭头28a和28b处沿外表面16进入双凹面颗粒10的表面的锂的通量与会聚扩散相对应。箭头28a和28b的轨迹使得跟随相应箭头方向的锂离子将在环形外部12的中心区域14处相遇。在本教导的各个方面，在单个双凹面形状颗粒中出现的锂的会聚和分散扩散前锋的组合利用如下。在位置24、28a和28b的锂的会聚通量趋于在颗粒的环形区域中挤满锂，且将导致大的浓度梯度和较高应力。然而，由于分散锂通量和较小厚度或有效扩散长度，中心区域14的提前饱和将锂供应给环形部的中心区域14。这显著地降低了环形部段内的浓度梯度且释放环形部的大部分体积中的应カ和弾性应变能量。这意味着颗粒体积可以获取更多锂，直接意味着在给定操作状况下电极材料的较高倍率性能。如前文所述，双凹面颗粒可以任选地设计成最大化充电-放电速率以及老化特性。所述设计特征在本文详细描述。在本教导的各个方面，蓄电池100中的锂离子的扩散通过适当地设计双凹面电极颗粒10的单个形状或形状群组而优化。例如，调节分散扩散和会聚扩散的相对区域。在一个示例性方面，与具有中心部分是环形外部12的高度的四分之一的缩短双凹面颗粒相比，具有中心部分是环形外部12的高度的一半的细长双凹面颗粒10的组合将提供更大面积的分散扩散。要注意的是，与会聚扩散相比分散扩散越大，提供颗粒10的机械降级的減少越大，因而提供改进性能、优化充电/放电循环容量且增加蓄电池100的长寿命。通过组合不同形状和尺寸，可以基于特定系统的需求改变蓄电池100的性能。另外，双凹面颗粒10中存储的应变能量与具有相同体积的其他形状相比低，如示例部分更详细所述。此外，双凹面性质利于在蓄电池的类似操作应カ状况期间増加锂的夹带速率。要理解的是，这改进蓄电池容量，同时最小化机械降级和増加蓄电池100的耐用性和长寿命。图5示出了本教导的一个类型的具有环绕中心部分14的大致环形外部12的双凹面颗粒10。制备双凹面颗粒的方法是本领域已知的，如Iskandar等在文献“Controlof the Morphology of Nanostructured Particles Prepared by the bpray Drying 01Nanoparticle Sol，，as published in the Journa丄 of Colloid and Interface Science,volume 265，issue 2中公开的，其全部内容通过参考引入本文。如上所述，双凹面颗粒10組合会聚和分散扩散。该组合允许锂有效迀移到颗粒10中。如示例部分详细描述的，其他形状不能提供这种有效迀移。相比而言，使用本教导的双凹面颗粒10形成的电极显著地减少或减轻锂离子蓄电池中的机械降级。 本教导还提供使用双凹面颗粒10的各个方法。在各个方面，双凹面颗粒10用于形成阳极102和/或阴极104的一部分。双凹面颗粒10由任何合适材料制成,例如纳米结构材料，包括但不限于金属氧化物、硅、锡和含碳材料。在其他实施例中，电极102或104由双凹面颗粒10的群组形成。在这种实施例中，双凹面颗粒10使用合适粘合剂粘附在一起。要理解的是，用于紧固颗粒的粘合剂系统的选择被选择以最小化与蓄电池100的性能的干扰，且保持双凹面颗粒10的双凹面性。单层双凹面颗粒10、多层双凹面颗粒10、或者形成阳极102或阴极104的双凹面颗粒10的不同群集或堆叠体在本教导的范围内。在其他方面，双凹面颗粒10被紧固或嵌入到芯部110，如图5所示，图5是分解剖视图。芯部110是与双凹面颗粒10相同的基底材料，或者具有不同的基底材料。碳纸、铜基底或聚合物电解质是适合于芯部110的非限制性示例性基底，以支撑双凹面颗粒10。如上所述，被选择将双凹面颗粒10紧固到芯部110的任何机械或粘合系统应当最小化与蓄电池100的性能的干扰，且保持双凹面颗粒10的双凹面性。双凹面颗粒10在芯部110上的数量和位置可以以各种组合沿芯部110的长度或者沿芯部110的前部、后部和/或周边变化。例如，在某些区域，双凹面颗粒10的浓度可以大于在其他区域的浓度(即，双凹面颗粒10的分立带或块由芯部110的暴露区域分开)，或者双凹面颗粒的设置可以均匀地弥散。在各个方面，单层双凹面颗粒10放置在芯部110上。在另外方面，多层双凹面颗粒10放置在芯部110上。作为本教导的另一方面，双凹面颗粒10与单种不同形状或多种不同形状(例如，纤维、薄片、结节和/或球体)的颗粒组合使用，如下文详细描述。双凹面颗粒10和其他颗粒的组合适合用于形成整个阳极102和/或阴极104，形成阳极102和/或阴极104的一部分，或者覆盖芯部110的至少ー个区域或者整个芯部110。在使用双凹面颗粒10和其他形状颗粒的组合的这种实施例中，双凹面颗粒10任选地放置在战略位置。例如，在各个方面，双凹面颗粒10的浓度在通常观察到分裂的分离器106附近増加。在本教导的各个方法中，提供减轻锂离子蓄电池中的机械降级的方法。阳极102和阴极104中的至少ー个用多个双凹面颗粒10部分地形成。蓄电池100通过提供含有锂源的电解质而用锂离子源装料。在充电或放电过程期间，在电极的表面处发生装料传输反应，且锂离子与电子反应以在颗粒表面上形成锂。锂然后通过由于双凹面颗粒10的几何形状引起的会聚和分散扩散前锋的组合而抽吸到双凹面颗粒10中。会聚和分散扩散前锋的组合以及将锂供应给环形部段的中心芯部的较薄中心区域的提前饱和，减少该区域的有效浓度特定，导致总应カ和弾性应变能量的显著減少。在这种实施例中，来自于会聚和分散力的静应カ小于1%，小于大约10%，小于大约20%，小于大约50%，小于大约70%或小于大约80%，包括所有子范围。在各个其他方面，由于跨过双凹面颗粒10的锂扩散引起的应カ和弾性应变能量的減少从大约10%至大约98%，包括所有子范围。由于会聚和分散扩散前锋的组合引起的系统中的应カ和弾性应变能量的减少提供増加的充电/放电循环稳定性，从而允许双凹面颗粒10在50个充电循环或更多的时间段内保持高达99%的初始容量。在另外的实施例中，由于会聚和分散扩散前锋的组合引起的颗粒中的应カ和弹性应变能量的减少允许双凹面颗粒10在50至300个充电循环的时间段内保持高达85%至大约98%的初始容量,包括所有子范围。在本教导的其他方面，提供减轻锂离子蓄电池中的机械降级的方法。锂扩散通过形成阳极102或阴极104的多个双凹面颗粒10。在颗粒内，锂从双凹面颗粒10的相对表面16和18沿分散路径分配。与其他系统相比，锂在双凹面颗粒内沿分散路径和会聚路径分配使得颗粒中存储的最大应变能量非常低，以允许在操作期间双凹面颗粒10中的平均锂浓度有利地利用至最大水平。实施例的前述描述提供用于说明和描述目的。其不旨在是穷举的或限制本发明。具体实施例的各个元件或特征总体上不限于该具体实施例，可在适用时是可互换的且可以在选定实施例中使用，即使未具体显示或描述也是如此。其还可以以许多方式变化。这种变化不认为偏离本发明，且所有这种变化旨在包括在本发明的范围内。示例
图6图示了电极中使用的现有技术颗粒。薄片50具有元件52处表示的平行会聚轮廓。 此外，在这种系统中分配的锂跟随平行相对路径且在中间平面上会聚。纤维60具有元件62处表示的圆柱形会聚轮廓。扩散压力类似地沿纤维62的轴线会聚，且沿纤维62分配的锂离子跟随会聚路径且碰撞。球体70具有元件72处表示的球形会聚轮廓。扩散压力类似地在球体70的中心处会聚，且沿球体分配的锂跟随会聚路径且碰撞。马铃薯形状80具有元件82处表示的会聚扩散轮廓。总之，碰撞和积聚的锂导致颗粒内的大浓度梯度，从而导致高应力和弹性应变能量，可能潜在地使得颗粒破裂或分裂，因而降低电极的充电和放电性能。转向图7，标准化应变能量(造成机械降级的原因)150和平均浓度(表示颗粒的容量)152分别针对薄片50、纤维60、球体70和该双凹面颗粒10进行比较。相应颗粒的体积被标准化以提供以下对比数据。试验包括系统的静电(Galvanostatic)和恒电势(potentiostatic)操作。以下试验数据反映静电操作期间获得的信息。在试验蓄电池系统的操作中，薄片50的标准化应变能量150是大约0. 55，纤维的标准化应变能量150是大约0. 65，球体70的标准化应变能量150是大约I。相反，本教导的双凹面颗粒10的标准化应变能量是大约0. 4。这表明，对于相等的体积，双凹面颗粒10具有机械降级的最大减轻。关于锂的平均浓度或容量152，本教导的双凹面颗粒10显示了接近I. 2的标准化平均浓度，而球体70具有接近I的标准化平均浓度，薄片50具有I. 2的标准化平均浓度，纤维60具有0. 8的标准化平均浓度。这表明，对于相等的体积且经历类似操作状况，本教导的双凹面颗粒10在最大应力状况时具有锂的最大平均浓度。这表明双凹面颗粒在操作状况期间在达到最大应变能量之前可以存储更多锂，从而改进充电/放电特性。另外，试验表明形状之间的多种定性差异，与其他形状的颗粒相比，这支持该双凹面颗粒10将改进蓄电池的性能。要注意的是，双凹面颗粒的容量保持将在操作蓄电池中显著较高，如标准化应变能量数据、锂的标准化平均浓度数据、和该数据的线性回归拟合所支持的。总之，锂的改进平均浓度和显著减少的应变能量反映锂的分散和会聚通量的协同组合，以及由于双凹面颗粒10形状引起的增加体积比表面面积。具有类似体积的其他形状重复地和一致地比本教导的双凹面颗粒10表现效率更低。要理解的是，例如，薄片的缺陷的原因在于虽然其具有大表面面积-体积比，但是仅仅平行扩散前锋引起应力且使得在操作期间的标准化应变能 量更高。
权利要求
1.一种在充电-放电循环引起的锂扩散之后具有減少的机械降级的锂蓄电池，包括 阳极；和 阴极，其中，所述阳极和阴极中的至少ー个包括多个双凹面颗粒。
2.根据权利要求I所述的锂蓄电池，其中，所述双凹面颗粒提供会聚锂扩散和分散锂扩散的组合，所述会聚锂扩散提供锂的会聚扩散通量，所述分散锂扩散提供锂的分散扩散通量。
3.根据权利要求2所述的锂蓄电池，其中，会聚锂扩散通量和分散锂扩散通量的组合导致减少的应力和弾性应变能量。
4.根据权利要求I所述的锂蓄电池，其中，每个双凹面颗粒包括由环形外部界定的中心区域。
5.根据权利要求4所述的锂蓄电池，其中，所述环形外部具有的高度大于中心区域的高度。
6.根据权利要求4所述的锂蓄电池，其中，所述环形外部具有的高度是中心区域的高度的至少两倍。
7.根据权利要求4所述的锂蓄电池，其中，所述环形外部提供会聚锂扩散。
8.根据权利要求4所述的锂蓄电池，其中，所述中心区域提供分散锂扩散和锂的更快饱和，从而减少环形外部中的锂浓度梯度。
9.一种减轻锂蓄电池中的机械降级的方法，包括 将由多个双凹面颗粒形成的至少ー个电极设置到蓄电池壳体中；和 用锂源装料所述至少ー个电扱。
10.一种减轻锂蓄电池中的机械降级的方法，包括 通过构成电极的多个双凹面颗粒扩散来自于锂源的锂；和 从双凹面颗粒的相对表面沿分散路径分配锂。
全文摘要
提供减少锂蓄电池中的机械降级的方法。阳极或阴极中的一个的至少一部分包括多个双凹面颗粒。所述双凹面颗粒提供锂扩散的增加表面面积，而不增加颗粒的体积。当锂扩散跨过颗粒时，锂的会聚和分散扩散前锋的组合减少应力和弹性应变能量，其是电极的机械降级的原因，同时增加锂进入速率。
文档编号H01M4/13GK102810661SQ20121017811
公开日2012年12月5日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月3日
发明者S.K.瓦尼米塞蒂, R.纳拉延劳 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司