用于高压锂离子电池单元的聚砜涂层制造技术

通过在阴极表面上涂覆含砜化合物——例如聚苯砜和聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)改进了锂离子电池单元的性能，阻止了电解质和氧化的电极表面的反应同时允许锂离子传导，其中阴极是层-层富锂阴极材料xLiMO2·(1-x)Li2MNO3，M是从由Co、Ni和Mn组成的群组中选取的过渡金属。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】通过在阴极表面上涂覆含砜化合物——例如聚苯砜和聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)改进了锂离子电池单元的性能，阻止了电解质和氧化的电极表面的反应同时允许锂离子传导，其中阴极是层-层富锂阴极材料xLiMO2·(1-x)Li2MNO3，M是从由Co、Ni和Mn组成的群组中选取的过渡金属。【专利说明】用于高压锂离子电池单元的聚砜涂层 相关申请的交叉引用 本申请要求享有2012年3月27日提交的标题为"P0LYSULF0NE COATING FOR HIGH VOLTAGE LITHIUM-ION CELLS" 的临时专利申请号 61/616, 339 的 35U. S. C. 119(e)的权益， 在此以参考方式引入以用于所有法律允许的目的。
技术介绍
除非这里另有说明，在这部分中所描述的材料并不是本申请权利要求书的现有技 术，并且并不承认包括在这部分中的内容为现有技术。这部分中描述的概念对于【专利技术者】来 讲是已知的，但是对于他人不一定是已知的或先前已被他人想到或寻求到的。 锂离子电池的三个主要功能组件是负极、正极和电解质。传统的锂离子电池单元 的负极或阳极包括能够吸收或释放锂离子的物质，且通常由碳（例如石墨）制成。正极或 阴极包括含锂物质且通常由含锂物质中的下列类型之一制成：层状氧化物（例如钴酸锂）、 聚阴离子（例如锂钴磷酸盐）或尖晶石（例如锂锰氧化物）。与电极连接的电解质是在有 机溶剂中的锂盐。根据流经电池单元的电流方向，电极的电化学作用在阳极和阴极之间变 化。通常，电池还包括隔膜，用于防止阳极和阴极之间接触，该隔膜是微孔膜。 由于阴极活性物质的选取对于锂离子电池的电压、容量、寿命以及安全性具有 重要的影响，所以阴极活性物质的化学性一直备受关注。目前，层-层富锂阴极材料 xLiM02· (l-x)Li2MN03(其中Μ是过渡金属，例如Ni、Mn、Co)已示出非常希望用于电动车辆 的锂离子电池中。实际上，层-层富锂阴极材料具有高的比容量（250mAh/g)，其比市场上使 用的锂镍锰钴氧化物LiNi^Mn^Co^C^高70%。然而，由于在形成时释放的内在的氧以及 与电解质溶剂的反应，层-层富锂阴极材料的循环性能和倍率性能受到影响。因此，表面和 散装材料都具有高的阻抗。 因此，需要一种装置来提高锂离子阴极材料的性能，且尤其是层-层富锂阴极材 料。 由于在电解质中的主要溶剂是循环和线性碳酸盐，它们与阴极表面的氧化反应 导致不可逆的损失和严重的容量衰减。在现有技术中已尝试控制电极/电解质反应。如 J. Electrochem. Soc.第156卷第A483-A488页（2009) Achiha等描述的一个方法已用能够 氟化的更加稳定的溶剂取代高反应性的含碳酸盐的溶剂。如J. Power Sources第187卷第 581-585页（2009)Han等描述的第二方法已在电解质中使用能够在氧化电极表面上形成保 护层的添加剂。然而另一方法已通过将阻止氧化的电解质与电极表面的反应同时允许锂离 子传导的材料涂覆阴极表面。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施例中，用于锂离子电池的电化学电池单元具有通常为石墨的 负极（阳极）、具有含锂离子的活性物质的正极（阴极），以及与电极连接的电解质。阴极 设置有含砜化合物的保护涂层，以阻止氧化的电解质在阴极表面处的反应。保护涂层不会 干扰锂离子传导。 在本专利技术的应用中，阴极的活性物质可以是在大于4. 2V vs Li/Li+的电压下工作 的任意含有锂离子的物质，例如层状金属氧化物和尖晶石氧化物。然而，在本专利技术的特别优 选的实施例中，活性物质是层-层富锂阴极材料xLiM0 2 (1-x) Li2MN03，其中Μ是过渡金属，并 优选从由Co, Ni和Μη组成的群组中选取。在这里描述的特定示例性实施例中，层-层富锂 阴极材料是LiM02 · Li2Mn03。 保护涂层是含砜化合物，例如形成粘附在阴极上的聚合涂层的聚砜，使得砜在 任何情况下都不会与阳极反应。在特定实施例中，聚砜是从由聚苯砜和聚（1，4-亚苯基 醚-醚-砜）组成的群组中选取的大分子。 本专利技术的锂离子电池实施例具有多个电化学电池单元，其中，在阴极上含有锂离 子的活性物质具有在电解质接触表面上的含砜化合物的保护涂层。当然，电池可以是本领 域已知的任意结构，例如硬币式或扣式、卷绕的或扁平的。 在方法实施例中，用于锂离子电池单元的阴极的聚砜涂层通过以下步骤制成：将 含砜化合物溶解在溶剂中以制成重量百分比约为0. 5至10%的溶液，并优选重量百分比约 为2% -3%;以及将溶液沉积在阴极含有锂离子的活性物质的表面上，从而形成涂层。在优 选实施例中，沉积的涂层具有范围约从〇. 01至20 μ m的厚度，并优选约从2至5 μ m。 【专利附图】【附图说明】 结合附图和具体实施例可以更好地理解本专利技术。应当理解，在各附图中的组件不 一定是按比例绘制的，而重点放在示出本专利技术的原理上。简言之，具体实施例结合附图中的 多个图给出，其中： 图1是本专利技术的电化学电池单元构造的简化示意图； 图2 (a)是在其表面上具有聚砜保护涂层的LiM02 · Li2Mn03阴极的横切面的扫描 电子显微镜（SEM)图像； 图2(b)是涂覆有聚砜的LiM02 ·Ι^2Μη03阴极的SEM图像，其具有来自砜的元素映 射的覆盖层； 图3(a)和图3(b)分别是涂覆有聚砜的LiM02 · Li2Mn03阴极和未涂覆有涂层的 (原始的或裸露的）LiM02 · Li2Mn03阴极的样本的傅里叶变换红外光谱（FTIR)图； 图4是在恒定温度（23°C )下在不同放电率（C/3、C/1和2C)下以安培小时（Ah) 为单位的电池单元容量与循环次数的散点图； 图5和图6分别是能够用于本专利技术的应用中的两种聚砜（PS)化合物：具体为聚苯 砜（PPS)和聚（1，4-亚苯基醚-醚-砜）（PPES))的化学结构； 图7 (a)是具有PPS或PPEES保护涂层的锂镍锰钴氧化物（NMC)阴极的半电池单 元样本的比容量的视图。 图7(b)是原始的NMC阴极材料的全电池样本的比容量的视图； 图8是绘制的用于涂覆有PPS的NMC阴极半电池单元的库伦效率与循环次数的图 示； 图9是涂覆有聚砜的NMC半电池单元的容量（mAh/g)与循环次数的散点图；以及 图10是对于涂覆有聚砜的阴极的样本和未涂覆涂层的阴极的样本，电流（mA/cm2) 与所施加的电压（V)的线性扫描伏安（LSV)散点图。 具体实施例 图1是根据本专利技术用于锂离子电池的电化学电池单元构造10的简化示意图。电 化学电池单元构造10具有阳极（负极）11、阴极（正极）13,以及与阳极和阴极连接的电解 质12。在该实施例中，示出了隔板14和15,其可以是防止阳极11和阴极13直接接触的微 孔膜。如图1所示，阴极13包括阴极活性物质17和集流器18,在其阴极表面19上设置有 与电解质12接触的保护涂层16。保护涂层16是阻止电解质在阴极表面19处反应的含砜 化合物，例如聚（1，4-亚苯基醚-醚-砜）。 阳极11包括阳极活性物质21，其可以是能本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于锂离子电池的电化学电池单元，电化学电池单元具有阳极、阴极，以及与阳极和阴极连接的电解质，其中，阴极包括含锂离子的活性物质，并具有在电解质接触表面上的含砜化合物保护涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：布特罗斯·哈拉克，罗燕婷，
申请(专利权)人：江森自控技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US