锂离子电池制造技术

一种锂离子电池包括正极和负极，以及在电解质溶液中浸泡并设置在电极之间的纳米孔或微孔聚合物隔膜。包括至少两种不同的螯合剂并选择它们与以下离子络合：i)两种或更多种不同的过渡金属离子；ii)呈两种或更多种不同氧化态的过渡金属离子；或iii)，i)和ii)两者。所述至少两种不同的选择的螯合剂以足以在电池操作期间不影响锂离子移动穿过隔膜的方式与过渡金属离子络合。螯合剂：溶解或分散于电解质溶液中；接枝到隔膜的聚合物上；附着在负极和/或正极的粘合剂材料；设置在隔膜的孔内；涂覆在隔膜的表面上；和/或涂覆在电极的表面上。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池
本公开大体上涉及锂离子电池。
技术介绍
二次或可充电锂离子电池在例如消费电子、汽车和航空航天工业中遇到的许多固定和便携式设备中使用。锂离子类电池由于各种原因而得到普及，包括相对较高的能量密度、当与其他类型的可再充电电池相比时普遍地没有任何记忆效应、相对较低的内部电阻，以及不使用该电池时的低自放电率。锂电池在其使用寿命内经历反复充电-放电循环的能力使其成为有吸引力和可靠的电能源。
技术实现思路
锂离子电池包括包含粘合剂材料的正极、包括粘合剂材料的负极和浸泡在电解质溶液中的纳米孔或微孔聚合物隔膜，该纳米孔或微孔聚合物隔膜可操作地设置在正极和负极之间。电池中包含至少两种不同的螯合剂，并选择与以下离子络合：i)两种或更多种不同的过渡金属离子；ii)呈两种或更多种不同氧化态的过渡金属离子；或者iii)，i)和ii)两者。所述至少两种不同的选择的螯合剂以足以在锂离子电池操作期间不影响锂离子移动穿过纳米孔或微孔聚合物隔膜的方式与过渡金属离子络合。螯合剂为以下各者中的至少一者：溶解在电解质溶液中；作为替代侧基接枝到纳米孔或微孔聚合物隔膜的聚合物上；可操作地设置在隔膜的孔内；附着在负极的粘合剂材料；附着在正极的粘合剂材料；涂覆在隔膜的表面上；涂覆在负极的表面上；以及涂覆在正极的表面上。所述至少两种不同的螯合剂选自由多胺、硫醇和有机酸的碱金属盐组成的群组的分子形式的离子阱；用有机酸的碱金属盐官能化的聚合物；用含氮化学基团官能化的聚合物；用两个或多个官能团官能化的聚合物；用环状结构官能化的聚合物，所述环状结构其选自由以下组成的群组：冠醚、氮杂冠醚、穴醚、套索冠醚、杯芳烃、杯芳冠醚及其组合。附图说明通过参考以下详细描述和附图，本公开的实施例的特征将变得显而易见，其中相同的附图标记对应于相似但尽可能不相同的部件。为简明起见，具有在前描述功能的附图特性或特征可能未必会结合出现了它们的其它附图再作描述。图1是用本文公开的聚合螯合剂的实施例形成的多孔隔膜的实施例的示意性横截面视图；图2是包括涂覆有本文公开的聚合螯合剂的实施例的多孔隔膜的实施例的示意性横截面视图；图3是包括涂覆有本文公开的聚合螯合剂的实施例的多孔膜的结构的正极的实施例的示意性横截面视图；图4是放电状态下的锂离子电池的一个实施例的示意性立体图，其中电池的多孔隔膜包括本文公开的螯合剂的一个实施例；图5是放电状态下的锂离子电池的一个实施例的示意性立体图，其中电池的多孔隔膜包括涂覆有本文公开的聚合螯合剂的实施例的多孔隔膜；图6是放电状态下的锂离子电池的一个实施例的示意性立体图，其中电池的多孔隔膜包括涂覆有本文公开的聚合螯合剂的实施例的多孔隔膜；图7是示出相比于两种LixMn2O4(LMO)粉末溶解的锰阳离子的相同相互关系的用于一组Mn2+参考溶液的集成电子顺磁共振(EPR)光谱(Y轴)和锰离子的总浓度(以ppm为单位的以原子吸收光谱(AAS)进行的测量)之间的相互关系的图表；图8A是示出作为时间函数(以周为单位，X轴)的在50℃下从两种LixMn2O4(LMO)粉末溶解成1MLiPF6/EC∶DMC(1∶1)电解质溶液的总锰量(以ppm为单位，Y轴)；图8B是示出溶解的锰离子(来自图8A)中的Mn3+离子的分数(以百分比为单位，Y轴)的时间函数(以周为单位，X轴)的曲线图。图9A是示出了在60℃下从LixMn0.33Ni0.33Co0.33O2(NMC111)和两种LixNi0.5Mn1.4O4(LNMO(A)和(B))粉末溶解成1MLiPF6/EC∶DMC(1∶1)电解质溶液的总锰量(以ppm为单位)，作为时间(以周为单位)的函数的曲线图；图9B是示出了所溶解锰离子中Mn3+离子分数(以百分比为单位，Y轴)(来自图9A)，作为时间的函数(以周为单位，X轴)的曲线图；图10A是在60℃电化学试验期间，在LMO-石墨电池的石墨负极上的Mn含量(以μg/mgLMO为单位)作为时间(以周为单位)的函数的曲线图；图10B是在60℃电化学试验期间，LMO-石墨电池的1MLiPF6/EC∶DMC电解质溶液中的Mn含量(以μg/mgLMO为单位)作为时间(以周为单位)的函数的曲线图；图11是示出作为计算出的Mn2+浓度的函数的由AAS(右y轴)检测的集成EPR强度(左y轴)和Mn量的曲线图。图12A是示出1MLiPF6/EC∶DMC(1∶1)中的Mn2+高氯酸六水合物的参考溶液的EPR数据的曲线图；图12B是示出通过将来自图12A所示的图形的数据整合而获得的Mn2+参考溶液的EPR光谱的曲线图。图13A示出了由AAS确定的集成EPR光谱强度与总Mn(以ppm为单位)之间的相互关系；以及图13B示出了在60℃下的循环和电位保持测试后的来自LMO石墨电池的电解质溶液中的Mn3+的分数。描绘了图4至图6中的隔膜以示出各个锂离子电池的负极和正极之间的离子流，因此不一定按比例绘制。具体实施方式锂离子电池通常通过在负极(有时称为阳极)和正极(有时称为阴极)之间可逆地传递锂离子而工作。负极和正极位于多孔聚合物隔膜的相对侧上，用适于导电锂离子的电解质溶液浸泡该多孔聚合物隔膜。负极和正极中的每一个也可操作地与其相应的集流器相关联或由与其相应的集流器支撑。与两个电极相关联的集流器，例如通过极耳，连接到允许电流在电极之间通过以电平衡锂离子的相关迁移的可中断的外部电路。此外，负极可以包括锂嵌入主材料，并且正极可以包括可以存储比负极的嵌入主材料更高的电位的锂离子的锂基活性材料。电解质溶液可以含有溶于非质子非水溶剂中的锂盐。已经发现，锂离子电池受到过渡金属阳离子溶出正极的有害影响，这导致加速的容量衰减，从而导致电池中的耐久性的损失。过渡金属阳离子从电池的正极迁移到负极，导致其“中毒”。在一个实施例中，石墨电极从正极的尖晶石LixMn2O4活性物质溶解的Mn+2、Mn+3或Mn+4阳离子中毒。例如，Mn+2阳离子可以通过电池电解质迁移，并沉积到石墨电极上。当沉积在石墨上时，Mn+2阳离子可能变成Mn金属。已经表明，相对少量(例如90ppm)的Mn金属可以使石墨电极中毒并防止可逆电极操作，从而有害地影响电池的使用寿命。无论暴露是否通过纯粹的存储发生(即，在某些充电状态下的开路电压下的单独放置)或电池操作期间(即充电期间、放电期间，或充电-放电循环期间)，沉积在负极上的Mn的有害影响在电池暴露于高于环境温度(例如高于40℃)的温度下明显加剧。通过将本文公开的螯合剂的实施例并入电池中，可以降低或防止锂离子电池通过从正极溶解的过渡金属导致的中毒。独立于或粘接于聚合物或陶瓷材料的螯合剂与从锂离子电池正极浸出的过渡金属阳离子络合并捕获过渡金属阳离子，从而防止其迁移到负极并防止相关的电池性能下降。任何过渡金属阳离子可以通过螯合剂的实施例被捕获，包括例如锰(例如Mn+2、Mn+3、Mn+4)、铁(例如Fe2+、Fe3+)、铬(例如、Cr2+、Cr3+)、钴(例如Co2+、Co3+)、镍(例如Ni2+、Ni3+、Ni4+)和/或钒(例如、V3+、V4+、V5+)的阳离子。在一些情况下，一些先前确定的过渡金属阳离子螯合/捕获材料可能是相当昂贵的。本公开的实施例阐述了较便宜的新材料，同时还能很好地防止过渡金属阳离子迁移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池，其包含：包括粘合剂材料的正极；包括粘合剂材料的负极；浸渍在电解质溶液中的纳米孔或微孔聚合物隔膜，所述纳米孔或微孔聚合物隔膜可操作地设置在所述正极和所述负极之间；以及选择以与以下离子络合的至少两种不同的螯合剂：i)两种或更多种不同的过渡金属离子；ii)呈两种或更多种不同氧化态的过渡金属离子；或iii)，i)和ii)两者；所述至少两种不同的选择的螯合剂以足以在锂离子电池操作期间不影响所述锂离子移动穿过所述纳米孔或微孔聚合物隔膜的方式与过渡金属离子络合；其中所述螯合剂为以下各者中的至少一者：溶解或分散在所述电解质溶液中；接枝到所述纳米孔或微孔聚合物隔膜的所述聚合物之上作为替代侧基；附着在所述负极的所述粘合剂材料；附着在所述正极的所述粘合剂材料；设置在所述隔膜的各孔内；涂覆在所述隔膜的表面上；涂覆在所述负极的表面上；以及涂覆在所述正极的表面上；并且其中所述至少两种不同的螯合剂选自：分子形式的离子阱，其选自由多胺、硫醇、有机酸的碱金属盐及其组合组成的群组；用有机酸的碱金属盐官能化的聚合物；用含氮官能团官能化的聚合物；用两个或多个官能团官能化的聚合物；以及用环状结构官能化的聚合物，所述环状结构选自由冠醚、氮杂冠醚、穴醚、套索冠醚、杯芳烃、杯芳冠醚及其组合组成的群组。...

【技术特征摘要】
2016.06.19 US 15/1865261.一种锂离子电池，其包含：包括粘合剂材料的正极；包括粘合剂材料的负极；浸渍在电解质溶液中的纳米孔或微孔聚合物隔膜，所述纳米孔或微孔聚合物隔膜可操作地设置在所述正极和所述负极之间；以及选择以与以下离子络合的至少两种不同的螯合剂：i)两种或更多种不同的过渡金属离子；ii)呈两种或更多种不同氧化态的过渡金属离子；或iii)，i)和ii)两者；所述至少两种不同的选择的螯合剂以足以在锂离子电池操作期间不影响所述锂离子移动穿过所述纳米孔或微孔聚合物隔膜的方式与过渡金属离子络合；其中所述螯合剂为以下各者中的至少一者：溶解或分散在所述电解质溶液中；接枝到所述纳米孔或微孔聚合物隔膜的所述聚合物之上作为替代侧基；附着在所述负极的所述粘合剂材料；附着在所述正极的所述粘合剂材料；设置在所述隔膜的各孔内；涂覆在所述隔膜的表面上；涂覆在所述负极的表面上；以及涂覆在所述正极的表面上；并且其中所述至少两种不同的螯合剂选自：分子形式的离子阱，其选自由多胺、硫醇、有机酸的碱金属盐及其组合组成的群组；用有机酸的碱金属盐官能化的聚合物；用含氮官能团官能化的聚合物；用两个或多个官能团官能化的聚合物；以及用环状结构官能化的聚合物，所述环状结构选自由冠醚、氮杂冠醚、穴醚、套索冠醚、杯芳烃、杯芳冠醚及其组合组成的群组。2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中所述纳米孔或微孔聚合物隔膜的所述聚合物选自由以下组成的群组：聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PE和PP的共混物、PE和PP的至少一者的多层结构多孔膜、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVdF)、聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺-酰亚胺、聚醚、聚甲醛、聚对苯二甲酸丁二酯、聚环烷酸亚乙酯、聚丁烯、聚甲基戊烯、聚烯烃共聚物、丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚硅烷聚合物、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并恶唑(PBO)、聚亚苯基、聚亚芳基醚酮、聚全氟环丁烷、聚偏氟乙烯共聚物和三元共聚物、聚氟乙烯、聚芳酰胺、聚苯醚、纤维素材料、介孔二氧化硅及其组合。3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中所述有机酸的碱金属盐为多齿结构，所述多齿结构选自以下各者中的任意一者：二齿结构，其选自由以下组成的群组：亚氨基二乙酸二锂(Li2IDA)、亚氨基二乙酸二钠(Na2IDA)及其组合；三齿结构，其选自由以下组成的群组：柠檬酸三钠、次氮基三乙酸三锂盐(Li3NTA)、次氮基三乙酸三钠盐(Na3NTA)、N-(2-羧乙基)亚氨基二乙酸三锂盐、1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4,7-三乙酸盐(Li3NOTA)及其组合；四齿结构，其选自由以下组成的群组：1,2-双(邻氨基苯氧基)乙烷-N,N,N’,N’-四乙酸的四锂盐(Li4BAPTA)、1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸的四锂盐(Li4DOTA)、乙二胺四乙酸的四锂盐(EDTALi4)，乙二胺四乙酸的四钠盐(EDTANa4)、乙二醇-双-(2-氨基乙基醚)-N,N,N',N’-四乙酸四锂盐(Li4EGTA)及其组合；五齿结构，其包含三胺五乙酸戊锂盐(Li5DTPA)盐；六齿结构，其选自由以下组成的群组：葡萄糖酸六锂、葡萄糖酸六钠、三(亚甲基膦酸)六锂盐(Li6TMPA)及其组合；以及八齿结构，其包含乙二胺四甲基磷酸八锂(Li8EDTMP)。4.根据权利要求1所述的锂离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·卢思琪，D·奥尔巴克，B·R·小鲍威尔，I·C·哈拉莱，T·J·富勒，A·班纳吉，B·齐夫，Y·史丽娜，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，巴伊兰大学，
类型：发明
国别省市：美国,US