具有無機／有機多孔膜的電池制造技術

一種電化學電池例如Ｌｉ離子電池，具有（ａ）正電極；（ｂ）負電極；（ｃ）介于所述正電極和負電極之間的多孔無機／有機復合層；以及（ｄ）含有鋰鹽和非水性溶劑的電解質。所述復合層包括無機納米顆粒和粘合劑從而形成納米復合分隔體（ＮＣＳ）。除所述復合層外，該電化學電池還包括多孔分隔體。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】具有無機/有機多孔膜的電池交叉引用本申請是2007年9月28日提交的美國臨時申請No. 60/995，777的非臨時申請。 專利
本專利技術總體上涉及電化學電池。更具體地，本專利技術涉及蓄電池和用于電化學蓄電 池的分隔體結構。
技術介紹
隔膜是電池的重要組件。這些膜用于防止電池的陽極和陰極接觸并同時允許電解 質從中穿過。另外，電池性能屬性例如循環壽命和功率可顯著地受分隔體選擇的影響。分 隔體屬性還可能涉及安全性，并且已知某些分隔體會減少L i金屬鍍覆在陽極處的發生和 甚至減少枝晶形成。蓄電池的隔膜在一些情形中由多孔聚合物材料體形成。在其它情形中，隔膜由纖 維或顆粒材料體形成，這些材料可包括玻璃纖維、礦物纖維如石棉、陶瓷、合成聚合物纖維 以及天然聚合物纖維如纖維素。目前使用的隔膜存在許多問題。這些膜材料通常昂貴，并且如果典型的電池系統 包括相對大體積的膜，則膜的成本會是總電池成本的顯著部分。低成本電池隔膜材料在防止枝晶橋接方面可能是低效的，因此必須以相對厚的厚 度進行制造。然而，這種厚度增加了電池的內阻，從而降低其效率，還增加了電池尺寸。因此，存在對高效、低成本、安全且易于使用的分隔體結構的需要。目前，用于鋰離 子電池的分隔體是昂貴的，平均 2. 00美元/平方米，其是高能量電池成本的約11%以及 是高功率電池成本的 23%。為進一步降低鋰離子電池的成本，需要開發廉價的分隔體。本專利技術示例實施方案的概述描述了用于電化學電池的有機/無機復合膜和多孔或無孔分隔體的組合。這種膜 是無機顆粒和聚合物粘合劑的復合物。該復合材料成本低并且另外起到提供高性能隔膜構 件的功能，所述隔膜構件對電極具有優異的附著性并且改善安全性以及在高溫下具有高的 尺寸穩定性。該電極/膜組合件在層之間表現出優異的附著性并且甚至在被卷繞、彎曲、折 曲或以其它方式變形時不從其基材(集流體)剝離。另外，多孔分隔體被布置成鄰近該復 合膜從而有利于電池組裝。在一方面，電化學電池例如鋰離子電池具有正電極、負電極、介于所述正電極和負 電極之間的多孔無機/有機復合層、以及包含鋰鹽和非水性溶劑的電解質。所述復合層包 括無機納米顆粒和粘合劑從而形成納米復合分隔體(NCS)。除該復合層外，電化學電池還包 括在兩個NCS涂覆電極之間的多孔或無孔分隔體。在另一個方面，提供了用于電化學電池的電極/分隔體組合件。該組合件包括集 流體；和附著到該集流體的多孔復合電極。該電極至少包括電活性顆粒和粘合劑。所述組合 件還包括多孔復合層，該多孔復合層包含基本上均勻分布在聚合物基質中從而形成納米孔 隙的無機顆粒，其中該復合層通過在這兩個層之間界面處的溶劑粘接部(weld)被固定到電極層。所述粘接部包括所述粘合劑和所述聚合物的混合物。多孔或無孔分隔體位于NCS涂覆電極之間。在一個實施方案中，該復合膜包含電化學穩定的無機顆粒，該無機顆粒在電化學 穩定的聚合物基質中具有小于ι μ m的顆粒尺寸，并且具有至少雙峰孔隙分布，其中首先的 較小尺寸的孔隙基本上均勻分布在層中，一種或多種較大的孔隙尺寸無規分布在層中。所 述孔隙的尺寸為納米級。在一個實施方案中，首先的較小的孔隙尺寸為約5-lOOnm，較大的孔隙尺寸為約 100-500nm。顆粒基本上呈單分散并且具有約10-50nm的顆粒尺寸。復合層具有大于25% 的孔體積分數。在一個實施方案中，粘合劑是無機/有機復合組合物的5 % -60 %。復合層可以具 有無機顆粒和聚合物粘合劑，無機顆粒聚合物的重量比為約95 5至約40 60。在一個實施方案中，膜的無機材料選自二氧化硅、氧化鋁、氧化鈦、天然和合成的 沸石、以及其它的合適顆粒尺寸的電化學穩定無機顆粒。在一個實施方案中，多孔分隔體為孔隙直徑大于50-100人的微孔聚烯烴分隔 體，并且包含聚丙烯、聚乙烯或它們的疊層體中至少一種的膜。在一個實施方案中，分隔體包含聚環氧乙烷。在一個實施方案中，多孔分隔體是由通過摩擦(friction)、聚結和粘附中的至少 一種結合在一起的纖維制成的非織造織物材料。多孔分隔體可以具有約9 μ m-15 μ m的厚 度，且復合膜可以具有約2 μ m-16 μ m的厚度。在另一方面，提供了用于電化學電池的分隔體結構，該分隔體結構包括布置在一 個或兩個電極上的復合層。所述復合層包括在聚合物基質中具有約IOnm至約200nm顆粒 尺寸的陶瓷顆粒。這些顆粒的直徑可典型地低于1微米且更典型地為15-30nm。在一些實 施方案中，所述層具有至少雙峰孔隙分布，其中首先的較小尺寸的孔隙基本上均勻分布在 層中，一種或多種較大的孔隙尺寸無規分布在層中，其中兩種孔隙的尺寸均為納米級。多孔 分隔體位于復合層和電極之間。在另一方面，提供了制備用于電化學電池的電極/分隔體組合件的方法。該方法 包括提供至少包含電活性顆粒和粘合劑的多孔復合電極層；以及提供涂覆溶液。該涂覆溶 液包括聚合物、用于該聚合物的溶劑系統、和分散在該溶劑中的無機顆粒，其中對溶劑系統 進行選擇以便對電極層中的粘合劑具有至少一些溶解性。該方法還包括對電極層的表面涂 以涂覆溶液層。涂覆溶液滲入電極層的一部分厚度并且溶解一部分粘合劑。從涂覆溶液層 中除去溶劑以沉積多孔復合層。所述復合層包含基本上均勻分散在聚合物中的無機顆粒并 且具有至少25%的孔體積分數。在多孔電極層和多孔復合層之間的界面處形成溶劑粘接 部。鄰近多孔復合層提供多孔或無孔分隔體。該方法一方面規定在涂覆溶液中無機顆粒和聚合物的重量比應為約65 35至約 45 55。所述涂覆溶液滲入至多90%的電極層厚度，并且可以通過選自噴涂、刮涂、狹縫模 涂覆、凹版式涂覆、噴墨印刷、旋涂、浸涂和絲網印刷的技術或其它技術進行涂覆。對電極表 面進行噴涂可以包括將多個涂覆溶液層噴涂到電極的表面上。根據本專利技術的另一方面，可 以在各個噴涂步驟之間干燥已涂覆的層。除去溶劑可以包括使溶劑蒸發和/或用對于聚合 物為非溶劑的材料提取溶劑。附圖簡述參照下列附圖對本專利技術進行描述，所述附圖僅出于說明目的而并不意欲限制本專利技術。附圖說明圖1是包括根據本專利技術一個或多個實施方案的多孔分隔體的電化學電池的示意 圖。圖2A是包括根據本專利技術一個或多個實施方案的多孔分隔體的電化學電池的示意 圖。圖2B是包括根據本專利技術一個或多個實施方案的多孔分隔體的電化學電池的示意 圖。圖3是根據本專利技術一個或多個實施方案的堆疊電化學電池的示意性橫截面圖。圖4是用于一個或多個實施方案用以制備隔膜的噴涂方法的流程圖。圖5包括根據本專利技術特征的分隔體結構的顯微照片。圖6是表示根據本專利技術特征的測試電池和對比電池的溫度圖。圖7是根據本專利技術特征的測試電池和對比電池的放電容量(mAh)相對于功率的曲 線圖。圖8是根據本專利技術特征的測試電池和對比電池的放電(mWh)相對于功率的曲線圖。圖9是根據本專利技術特征的測試電池和對比電池的放電容量(mAh)相對于循環數的 曲線圖。圖10是根據本專利技術特征的測試電池和對比電池的放電容量(mAh)相對于循環數 的曲線圖。示例性實施方案詳述無機/有機多孔膜可涂覆到電極上并且用作Li離子電池中的分隔體。由于它們顯著降低電池成本并且改善電池安全性的潛力從而是所希望的。下列文獻中描述了作為無機 填料和聚合物粘合劑的復合物的納米復合本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Ｌｉ離子電化學電池，其包含（ａ）正電極；（ｂ）負電極，（ｃ）介于所述正電極和負電極之間的多孔無機和有機復合膜，以及（ｄ）含有鋰鹽和非水性溶劑的電解質，并且還包含（３）鄰近所述復合膜的多孔或無孔的分隔體，其中所述復合膜包含無機納米顆粒和粘合劑，其中復合膜與多孔或無孔分隔體的總厚度不大于２５μｍ。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：GB萊斯，SJ巴比奈克，GN瑞雷，
申請(專利權)人：A一二三系統公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]