制造用于锂电池的热稳定复合隔膜的方法技术

提供一种用于循环锂离子的电化学电池的热稳定复合隔膜，以及制造复合隔膜的方法。所述方法包括将涂覆的基底的一个或多个表面区域与凝结剂接触。所述涂覆的基底包括绝缘多孔性基底和至少一层非多孔性聚合层，所述聚合层包括聚合物、一种或多种纳米颗粒、一种或多种亚微米颗粒、以及溶剂。涂覆的基底与凝结剂介质接触会除去溶剂，从而导致聚合物沉淀，形成至少一层基本上均匀的多孔性聚合物层，代替至少一层非多孔性聚合层。所述凝结剂介质具有大于溶剂的粘度，并且聚合物与凝结剂介质之间的溶解度参数差别小于聚合物与水之间的溶解度参数差别。

【技术实现步骤摘要】
制造用于锂电池的热稳定复合隔膜的方法
本公开涉及制造用于电化学电池的热稳定复合隔膜的方法。所述方法包括将具有至少一层非多孔性涂层的绝缘多孔性基底的一个或多个表面区域与凝结剂介质接触，在绝缘多孔性基底上形成至少一层基本上均匀的多孔性聚合物涂层。本公开还涉及由这种方法制造的热稳定复合隔膜。
技术介绍
这一部分提供与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。作为背景，高能量密度的电化学电池(例如锂离子电池和锂-硫电池)可用于各种消费类产品和车辆，例如混合动力电动车(HEV)和电动车(EV)。典型的锂离子和锂-硫电池包含第一电极、第二电极、电解质材料和隔膜。一个电极充当正极或阴极，另一个充当负极或阳极。通常将一组锂离子电池单元电连接以增加总输出。常规的可充电锂离子电池和锂-硫电池通过在负极与正极之间可逆地来回传递锂离子运行。电绝缘隔膜和电解质布置于负极与正极之间。电解质适合传导锂离子，并且可以是固体形式(例如固态扩散)或液体形式。锂离子在电池的充电过程中从阴极(正极)移动至阳极(负极)，而在电池放电时则以相反方向移动。许多不同材料可用来产生用于锂离子电池的组分。以非限制性的实例的方式，用于锂离子电池的阴极材料通常包含可嵌入锂离子或与锂离子合金化的电活性材料，例如锂-过度金属氧化物或者尖晶石型混合氧化物，例如包括尖晶石LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi(1-x-y)CoxMyO2(其中0＜x＜1，y＜1，M可以是Al、Mn等)、或者锂铁磷酸盐。电解质通常含有一种或多种锂盐，其可溶于非水性溶剂中并在其中电离。常用的负极材料包括锂插入材料或者合金主体材料，例如碳基材料，例如锂-石墨嵌入化合物，或者锂-硅化合物、锂-锡合金，以及钛酸锂Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3，例如Li4Ti5O12(LTO)。负极也可以由像金属锂这样的含锂材料制造，从而电化学电池被看作是锂金属电池或电池单元。隔膜可使用湿法或干法制造，形成具有足够孔隙度的绝缘屏障，使得离子能够在第一电极与第二电极之间移动。用来在常规锂离子电池隔膜中产生空隙的方法通常需要精确拉伸挤出的薄膜。但是，这种方法可能耗时且昂贵，并且所形成的隔膜可能容易热收缩，从而增加电池短路的潜在风险。因此希望开发可以增加的生产率从具有改进的空隙均匀性和良好的热稳定性的材料形成的隔膜。
技术实现思路
该部分提供本公开的一般概述，并不是对其全部范围或其全部特征的全面公开。在各种方面，本公开提供一种形成用于循环锂离子的电化学电池的热稳定复合隔膜的方法。所述方法可包括将多孔性绝缘基底的一个或多个涂覆的表面区域与凝结剂介质接触。所述一个或多个涂覆的表面区域可具有至少一层非多孔性聚合层。所述至少一层非多孔性聚合层可包括聚合物、一种或多种颗粒状添加剂、以及溶剂。绝缘基底的一个或多个涂覆的表面区域与凝结剂介质接触可除去所述至少一层非多孔性聚合层的溶剂，从而导致聚合物沉淀，并在多孔性绝缘基底的一个或多个涂覆的表面区域上形成至少一层基本上均匀的多孔性聚合物层，从而产生热稳定复合隔膜。所述凝结剂介质可具有第一粘度(Pa·s)，其大于溶剂的第二粘度(Pa·s)。另外，聚合物与凝结剂介质之间的溶解度参数差别可小于聚合物与水之间的溶解度参数差别。可将所形成的热稳定复合隔膜洗涤，以除去残留的主要溶剂和凝结剂介质，随后进行干燥。在一个方面，所述一种或多种颗粒状添加剂可选自一种或多种具有小于100nm的平均直径的纳米颗粒、一种或多种具有大于或等于约100nm并且小于或等于约2μm的平均直径的亚微米颗粒、及其组合。在一个方面，聚合物可包括至少200个重复单元，并且可选自由以下组成的群组：芳纶纤维、聚酰胺、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚硫化物、聚酰亚胺(PI)、丙烯酸类聚合物、聚碳酸酯、及其组合；所述一种或多种纳米颗粒和所述一种或多种亚微米颗粒可包括独立地选自由以下组成的群组的材料：氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氯化钙(CaCl2)、金属氧化物、羰基化物、氮化物、钛酸盐、粘土、磷酸盐、及其组合；并且溶剂可选自由以下组成的群组：N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAC)、及其组合。在一个方面，溶剂可包括大于或等于约2wt.％至小于或等于约20wt.％的溶于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中的氯化钙(CaCl2)和氯化锂(LiCl)中的一种或多种。在一个方面，所述至少一层非多孔性聚合层可使用具有大于或等于约1Pa·s并且小于或等于约80Pa·s的第三粘度的聚合物涂料溶液形成；并且可通过沉积过程将聚合物涂料溶液施涂至多孔性绝缘基底的一个或多个表面区域，从而形成所述至少一层非多孔性聚合层。在一个方面，所述至少一层非多孔性聚合层可具有大于或等于约0.1Pa·s并且小于或等于约20Pa·s的第四粘度；并且可通过首先将至少一层非多孔性聚合层置于输送系统上，随后将绝缘多孔性基底与至少一层固体聚合层接触，从而形成涂覆的多孔性绝缘基底。在一个方面，溶剂可以是主要溶剂，并且可通过添加辅助挥发性溶剂将用来形成所述至少一层非多孔性聚合层的聚合物涂料溶液的粘度改变；并且所述辅助挥发性溶剂可选自由以下组成的群组：四氢呋喃(THF)、丙酮、乙腈、及其组合。在一个方面，所述至少一层非多孔性聚合层可被包含大于或等于约3wt.％至小于或等于约40wt.％的聚合物的聚合物涂料溶液涂覆。在一个方面，所述绝缘多孔性基底可选自由以下组成的群组：聚乙烯(PET)纤维、纤维素纤维、玻璃纤维、聚烯烃纤维、聚酰胺纤维、及其组合。在一个方面，所述绝缘多孔性基底可选自由以下组成的群组：聚乙烯多孔性膜、聚丙烯多孔性膜、及其组合。在一个方面，所述凝结剂介质可包含选自由以下组成的群组的材料：乙二醇、甘油、二乙二醇、及其组合。在一个方面，所述凝结剂介质可具有大于或等于主要溶剂的约200％的粘度，并且聚合物与凝结剂之间的溶解度参数差别可小于或等于聚合物与水之间的溶解度参数差别的一半。在另一个变型中，本公开提供一种形成用于循环锂离子的电化学电池的热稳定复合隔膜的进一步的方法。所述方法可包括通过沉积过程将至少一层非多孔性聚合层施涂至绝缘多孔性基底的一个或多个表面区域，并将所述至少一层非多孔性聚合层与凝结剂介质接触。所述至少一层非多孔性聚合层可包括聚合物、一种或多种具有小于100nm的平均直径的纳米颗粒、一种或多种具有大于或等于约100nm并且小于或等于约2μm的平均直径的亚微米颗粒、以及具有大于或等于约1Pa·s并且小于或等于约80Pa·s的粘度的溶剂。与凝结剂介质接触可除去主要溶剂，从而导致聚合物沉淀，在多孔性基底上形成至少一层基本上均匀的多孔性聚合物层，替代至少一层非多孔性聚合层。所述凝结剂介质可具有大于或等于主要溶剂的约200％的粘度，并且聚合物与凝结剂之间的溶解度参数差别可小于或等于聚合物与水之间的溶解度参数差别的一半。在一个方面，聚合物可选自由以下组成的群组：芳纶纤维、聚酰胺、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚硫化物、聚酰亚胺(PI)、丙烯酸类聚合物、聚碳酸酯、及其组合；所述一种或多种纳米颗粒和所述一种或多种亚微米颗粒可包括独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形成用于循环锂离子的电化学电池的热稳定复合隔膜的方法，所述方法包含：将多孔性绝缘基底的一个或多个涂覆的表面区域与凝结剂介质接触，其中所述一个或多个涂覆的表面区域具有至少一层非多孔性聚合层，所述非多孔性聚合层包含聚合物、一种或多种颗粒状添加剂、以及溶剂，其中与所述凝结剂介质的所述接触将所述溶剂除去，从而导致所述聚合物沉淀，在所述一个或多个涂覆的表面区域上形成至少一层基本上均匀的多孔性聚合物层，从而形成所述热稳定复合隔膜，其中所述凝结剂介质具有大于所述溶剂的第二粘度的第一粘度(Pa·s)，并且其中所述聚合物与所述凝结剂介质之间的溶解度参数差别小于所述聚合物与水之间的溶解度参数差别。

【技术特征摘要】
2017.12.19 US 15/8473581.一种形成用于循环锂离子的电化学电池的热稳定复合隔膜的方法，所述方法包含：将多孔性绝缘基底的一个或多个涂覆的表面区域与凝结剂介质接触，其中所述一个或多个涂覆的表面区域具有至少一层非多孔性聚合层，所述非多孔性聚合层包含聚合物、一种或多种颗粒状添加剂、以及溶剂，其中与所述凝结剂介质的所述接触将所述溶剂除去，从而导致所述聚合物沉淀，在所述一个或多个涂覆的表面区域上形成至少一层基本上均匀的多孔性聚合物层，从而形成所述热稳定复合隔膜，其中所述凝结剂介质具有大于所述溶剂的第二粘度的第一粘度(Pa·s)，并且其中所述聚合物与所述凝结剂介质之间的溶解度参数差别小于所述聚合物与水之间的溶解度参数差别。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种颗粒状添加剂选自一种或多种具有小于约100nm的平均直径的纳米颗粒、一种或多种具有大于或等于约100nm并且小于或等于约2μm的平均直径的亚微米颗粒、及其组合。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述聚合物包括至少200个重复单元，并且选自由以下组成的群组：芳纶纤维、聚酰胺、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚硫化物、聚酰亚胺(PI)、丙烯酸类聚合物、聚碳酸酯、及其组合：其中所述一种或多种纳米颗粒和所述一种或多种亚微米颗粒包含独立地选自由以下组成的群组的材料：氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氯化钙(CaCl2)、金属氧化物、羰基化物、氮化物、钛酸盐、粘土、磷酸盐、及其组合；并且其中所述溶剂选自由以下组成的群组：N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMA...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·G·起亚，黄晓松，
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