具有离子阱的锂离子电池制造技术

提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括：正电极；负电极；浸渍在电解质溶液中的微孔聚合物隔板，微孔聚合物隔板设置在所述正电极与所述负电极之间；以及过渡金属阳离子阱，其i)作为粘合剂被结合在所述正电极或所述负电极中的任一个中，ii)被沉积到所述正电极或所述负电极中的任一个的表面上，iii)被结合到所述微孔聚合物隔板中，iv)被沉积到所述微孔聚合物隔板的表面上，或者v)作为添加剂被包括在所述电解质溶液中。过渡金属阳离子阱为铁载体。

【技术实现步骤摘要】
具有离子阱的锂离子电池
本专利技术总体涉及一种具有过渡金属离子阱的锂离子电池。
技术介绍
二次或可充电锂离子电池用在许多固定式设备和便携式设备中，诸如在消费者电子器件、汽车工业和航天工业中遇到的那些设备。锂离子类电池得到普及有各种原因，包括：相对高的能量密度、与其它类型的可充电电池相比一般不出现任何存储效应、相对低的内阻以及在不使用时低的自放电率。锂电池在其使用寿命期间能够承受重复的功率循环的能力使它们成为吸引人的且可靠的电源。
技术实现思路
提供的锂离子电池包括：正电极；负电极；浸泡在电解质溶液中的微孔聚合物隔板，该微孔聚合物隔板设置在正电极和负电极之间；以及过渡金属阳离子阱，该过渡金属阳离子阱i)作为粘合剂与所述正电极或所述负电极中的任一个结合，ii)沉积在所述正电极或所述负电极中的任一个的表面上，iii)与所述微孔聚合物隔板结合，iv)沉积在微孔聚合物隔板的表面上，或者v)作为添加剂包括在所述电解质溶液中。过渡金属阳离子阱是铁载体。附图说明通过参考以下的详细描述和附图(其中相同的附图标记对应于相似的、尽管可能不相同的组件)，本专利技术的实例的特征将变得显而易见。为了简洁起见，具有前述功能的附图标记或特征可以结合它们出现的其它附图进行描述，也可以不进行描述。图1是在放电状态期间锂离子电池的实例的示意性透视图，其中电解质包括一种作为离子阱添加剂的材料，该材料捕获从正电极浸出的过渡金属(TM)阳离子，并且阻止它们迁移至负电极；图2A描绘了采用生物合成途径用于制造TM离子阱添加剂的反应流程的实例；图2B描绘了采用合成途径用于制造TM离子阱添加剂的反应流程的实例；图3A示意性地示出了包括结合于其中的TM离子阱添加剂的锂离子电池的微孔聚合物隔板的实例；图3B示意性地示出了包括施加在隔板表面的TM离子阱添加剂的微孔聚合物隔板的另一实例；图4A示意性地示出了包括结合于其中的离子阱添加剂的锂离子电池的正电极的实例；以及图4B示意性地示出了包括施加在电极表面的离子阱添加剂的正电极的另一实例。具体实施方式一般地，锂离子电池通过可逆地将锂离子在负电极(有时称为阳极)与正电极(有时称为阴极)之间传递来运行。负电极与正电极位于多孔聚合物隔板(其用适用于传导锂离子的电解质溶液浸渍)的相对侧上。负电极与正电极的每个也被各自的集电器容纳。与两个电极相关联的集电器通过可中断的外部电路来连接，可中断的外部电路允许电流在电极之间传递，以在电学上平衡相关的锂离子的迁移。进一步地，负电极可包括锂嵌入主体材料，且正电极可包括锂基活性材料，该锂基活性材料可以高于负电极的嵌入主体材料的电位来存储锂离子。电解质溶液可包含溶解于质子惰性的非水性溶剂中的锂盐。已经发现，锂离子电池受到来自正电极的过渡金属阳离子溶解的不利影响，这导致了加速的容量衰减，且因此电池中耐久性的损失。过渡金属阳离子从电池的正电极迁移到负电极，导致其“中毒”。在一个实例中，石墨电极由于正电极的尖晶石LixMn2O4溶解的Mn+2、Mn+3或Mn+4阳离子而中毒。例如，Mn+2阳离子可通过电池电解质迁移，并且沉积到石墨电极上。当沉积到石墨上时，Mn+2阳离子变成Mn金属。已经表明，相对小量(例如90ppm)的Mn金属可以使石墨电极中毒且阻止可逆的电极运行，从而不利地影响电池的使用寿命。在负电极沉积的Mn的不利影响在电池暴露于环境温度之上(＞40℃)期间显著增加，不管暴露是通过简单的储存(即在某种充电状态，简单地处于开路电压)发生，还是在电池运行期间(即：充电期间、放电期间、充电放电循环期间)发生。此外，已知铁枝晶在锂离子电池中形成且导致电路短路。由于正电极溶解的过渡金属的锂离子电池的中毒可通过使用此处公开的新型过渡金属(TM)离子阱的实例来减小或防止。TM离子阱(单独地或栓系到聚合物)捕获过渡金属阳离子(诸如从锂离子电池的正电极浸出的Mn阳离子)，从而防止它们迁移至负电极，并且防止相关联的电池性能下降。TM离子阱可以捕获任何过渡金属阳离子，包括，例如，铁的阳离子(例如，Fe2+，Fe3+)、铬的阳离子(例如，Cr2+，Cr3+)、钴的阳离子(例如，Co2+，Co3+)、镍的阳离子(例如，Ni2+，Ni3+，Ni4+)或钒的阳离子(例如，V3+，V5+)。这里公开的是锂离子电池以及TM离子阱的实例，单独地或者栓系到聚合物(这里称为“TM螯合聚合物”)，可与电解质结合和/或结合在锂离子电池的电极中或结合在锂离子电池的电极上和/或结合在锂离子电池的微孔聚合物隔板中或结合在锂离子电池的微孔聚合物隔板上。这些实例的每一个将参考图1至图3B中的一个或多个进行描述。锂离子电池现在参照图1，示出了锂离子电池10的一个实例。一般地，锂离子电池10包括：负电极12，负极侧集电器12a，正电极14，正极侧集电器14a和设置在负电极12与正电极14之间的微孔聚合物隔板16。可中断的外部电路18将负电极12与正电极14连接起来。负电极12、正电极14以及微孔聚合物隔板16中的每个被浸渍在能够传导锂离子的电解质溶液中。负极侧集电器12a和正极侧集电器14a可以被设置分别地与负电极12与正电极14接触，以收集自由电子且将自由电子移动至外部电路18以及从外部电路18移出。锂离子电池10可支撑可以可操作地连接到外部电路18的负载装置22。在锂离子电池10正在放电时，负载装置22可由流过外部电路18的电流完全地或部分地供电。虽然负载装置22可以是任意数目的已知的电动装置，但是耗电负载装置的几个具体实例包括：用于混合动力车辆或全电动车辆的电动机、便携式计算机、蜂窝电话以及无绳电动工具。然而，负载装置22也可以是对锂离子电池10充电目的是用于存储能量的发电设备。例如，风车和太阳能电池板可变地和/或间歇地发电的趋势通常导致需要存储额外的能量，以供以后使用。锂离子电池10可包括广泛的其它组件，尽管这里不做描述，但对技术人员来说是公知的。例如，锂离子电池10可以包括：壳体、垫圈、端子、接片以及任何其它需要的、可以位于负电极12与正电极14之间或在它们的周围的、用于相关的性能或其它实用目的的组件或材料。此外，锂离子电池10的尺寸和形状以及它的主要组件的设计和化学构成可根据针对其而设计的特定应用而变化。例如，电池供电式车辆和手持式消费者电子设备是两种情况，其中锂离子电池10最可能被设计成不同尺寸、不同容量以及不同的功率输出规格。如果负载装置22这么需要的话，则锂离子电池10还可以与其它相似的锂离子电池串联地和/或并联地连接，以产生更高的电压输出量和电流(如果并联地布置)或电压(如果串联地布置)。锂离子电池10能够通过可逆的电化学反应的方式在电池放电期间产生有用的电流，所述可逆的电化学反应在外部电路18闭合时发生，以在负电极12含有足够较高的、相对量的嵌入的锂时，连接负电极12和正电极14。正电极14与负电极12之间的化学电位差(根据电极12和电极14的具体的化学构成，范围在大约2.0伏特至5.0伏特)驱动由负电极12处的嵌入的锂的的氧化所产生的电子通过外部电路18朝向正电极14。锂离子(其也在负电极12处产生)同时由电解质溶液携带穿过微孔聚合物隔板16且朝向正电极14。流经外部电路18的电子和在电解质溶液中穿过微孔聚合物隔板16本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池，包括：正电极；负电极；浸渍在电解质溶液中的微孔聚合物隔板，所述微孔聚合物隔板设置在所述正电极与所述负电极之间；以及过渡金属阳离子阱，其i)作为粘合剂被结合在所述正电极或所述负电极中的任一个中，ii)被沉积到所述正电极或所述负电极中的任一个的表面上，iii)被结合到所述微孔聚合物隔板中，iv)被沉积到所述微孔聚合物隔板的表面上，或者v)作为添加剂被包括在所述电解质溶液中，其中所述过渡金属阳离子阱捕获选自由以下各项组成的组的过渡金属阳离子：Mn

【技术特征摘要】
2015.12.01 US 14/9560381.一种锂离子电池，包括：正电极；负电极；浸渍在电解质溶液中的微孔聚合物隔板，所述微孔聚合物隔板设置在所述正电极与所述负电极之间；以及过渡金属阳离子阱，其i)作为粘合剂被结合在所述正电极或所述负电极中的任一个中，ii)被沉积到所述正电极或所述负电极中的任一个的表面上，iii)被结合到所述微孔聚合物隔板中，iv)被沉积到所述微孔聚合物隔板的表面上，或者v)作为添加剂被包括在所述电解质溶液中，其中所述过渡金属阳离子阱捕获选自由以下各项组成的组的过渡金属阳离子：Mn4+、Mn3+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Cr2+、Cr3+、Co2+、Co3+、Ni2+、Ni3+、Ni4+、V3+、V5+以及它们的组合，并且其中所述过渡金属阳离子阱包括铁载体。2.如权利要求1所述的锂离子电池，其中，所述过渡金属阳离子阱为过渡金属螯合聚合物材料的一部分，所述过渡金属螯合聚合物材料i)作为所述粘合剂被结合在所述正电极或所述负电极中的任一个中，ii)被沉积到所述正电极或所述负电极中的任一个的所述表面上，iii)被结合到所述微孔聚合物隔板中，iv)被沉积到所述微孔聚合物隔板的所述表面上，或者v)作为所述添加剂被包括在所述电解质溶液中。3.如权利要求2所述的锂离子电池，其中，所述过渡金属螯合聚合物材料包括被栓系到选自由以下各项组成的组的聚合物的所述过渡金属阳离子阱：聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚酰胺、聚氯酯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醚酮、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚、聚甲醛、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚环烷酸亚乙酯、聚丁烯、聚烯烃共聚物、丙烯晴-丁二烯苯乙烯共聚物、聚苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚硅氧烷聚合物、聚苯并咪唑、聚苯并恶唑、聚亚苯基、聚亚芳基醚酮、聚全氟环丁烷、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯共聚物和三元聚合物、聚氟乙烯、液晶聚合物、聚芳酰胺、聚苯醚以及它们的组合。4.如权利要求1所述的锂离子电池，其中：所述铁载体为2，3-二羟基苯甲酸的衍生物；或者所述铁载体选自由以下各项组成的组：肠杆菌素(大肠杆菌)、铁色素(黑粉菌)、分枝菌素(分枝杆菌)、儿茶酚型嗜铁素(枯草杆菌)、铁草氨菌素B(由链球菌)、萎蔫菌素C(粉红镰刀菌)、耶尔森杆菌素(鼠疫耶尔森菌)、弧菌素(霍乱弧菌)、固氮菌素(棕色固氮菌)、假单胞菌素(假单胞...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·C·哈拉莱，T·J·富勒，Z·李，M·W·维尔布鲁格，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US