具有隔膜的可充电电池单元制造技术

本公开涉及一种可充电电池单元(2)，具有正极(4)、负极(5)、含有导电盐的电解质，以及置于正极(4)和负极(5)之间的隔膜。所述负极(5)和正极(4)均为嵌入型电极。所述电解质基于SO2。隔膜(11)包括隔膜层(15，16)，所述隔膜层是有机聚合物隔膜层。相对于每单位面积的嵌入型正极的活性物质的负载量，所述有机聚合物隔膜层的厚度小于0.25mm

Rechargeable battery unit with diaphragm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有隔膜的可充电电池单元
本专利技术涉及一种可再充电电化学电池单元，其具有正极、负极、置于正极和负极之间的隔膜、基于SO2的电解质和电池单元的活性金属的导电盐。
技术介绍
可充电电池在许多
中非常重要。发展目标具体包括高能量密度(单位重量和单位体积的充电容量)、高载流量(低内阻)、经多次充放电循环的长寿命、非常好的操作可靠性和尽可能低的成本。隔膜是所有电池单元中的重要功能元件，其目的是使电池的正极和负极电绝缘。同时，隔膜确保了对电池单元的功能至关重要的电荷传输可以通过离子传导在电极之间进行。因此，隔膜必须用电解质溶液润湿并渗透。在实践中，最广泛使用的具有有机电解质溶液的商用可充电电池几乎全部是锂离子电池。锂离子电池的负极由覆铜碳制成，覆铜碳充电时可以与锂离子结合。正极也由适于吸收活性金属离子的嵌入型材料制成。正极通常基于钴酸锂，钴酸锂用作由铝制成的分流元件的涂层上。两个电极都非常薄(厚度通常小于100μm)。充电期间，活性金属离子从正极离开并且与负极结合。其逆过程发生在放电期间。电极之间的离子传输通过电解质进行，以确保所需的离子迁移率。锂离子电池含有由溶解于非极性有机溶剂或(例如基于碳酸亚乙酯的)溶剂混合物中的锂盐(例如LiPF6)组成的电解质。下文中也称它们为“有机锂离子电池”。事实上，市售的所有有机锂离子电池都具有由微孔聚烯烃材料制成的隔膜，例如由聚丙烯或聚乙烯制成的隔膜。非极性溶剂的有机锂离子电池的电解质润湿聚烯烃隔膜，该聚烯烃隔膜也是非极性的，因此确保了离子通过隔膜在电极之间传输。长期以来，SO2基锂电池电解质一直是讨论的话题。(1)电池手册(HandbookofBatteries)，DavidLinden(编辑)，第2版，麦格劳-希尔(McGraw-Hill)，1994具体提到了基于SO2的无机电解质的高离子电导率。关于另外的电数据，该电解质也是有利的。因此，SO2基的电解质系统已经被研究了很长时间，并且发现其具有特殊的应用价值。然而，由于电解质的高腐蚀性，尤其限制了其进一步的商业可用性。不易燃是基于SO2的电解质的一个优点，这与实践中通常使用的锂离子电池的有机电解质相反。锂离子电池的已知安全风险具体地是由他们的有机电解质引起。当锂离子电池着火或甚至爆炸时，电解质中的有机溶剂提供了可燃材料。二氧化硫是极性溶剂。为了使基于SO2的无机电解质溶液润湿隔膜，使用了无机基底的隔膜。无机隔膜(例如基于玻璃纤维材料的隔膜)例如由极性材料制成，如由金属氧化物制成。因此，电解质能够很好地润湿隔膜。这确保了通过隔膜传输离子。对改进的可充电电池的需求很高，具体地要满足以下要求：-非常好的电性能数据，具体为同时具有高可用电流(功率密度)的高重量和体积能量密度；-即使在机动车辆的恶劣环境条件下也能安全；-寿命长，长期稳定，即，具体为多次可用的充电和放电循环；-尽可能低的价格，即便宜的材料；-尽可能简单的生产流程。
技术实现思路
在此基础上，本专利技术所基于的技术问题是为具有基于SO2的电解质的电池单元提供隔膜，以使隔膜能够增加电池单元的能量密度并且简化电池单元设计–同时保持有利的电特性，具体为电化学电池的长期稳定性。该技术问题通过具有权利要求1的特征的可充电电化学电池解决。所述电池具有正极、负极、隔膜以及含有SO2和电池活性金属导电盐的电解质。根据本专利技术，所述负极和所述正极各自为嵌入型电极。所述电解质基于SO2，并且所述隔膜包括隔膜层，所述隔膜层为有机聚合物隔膜层，根据本专利技术，基于嵌入型正极的活性物质的单位面积的负载量，所述有机聚合物隔膜层的厚度为小于0.25mm3/mg。具有活性材料的正极的负载量以1cm2面积为基准，产生基于面积的负载量的单位mg/cm2。如果考虑隔膜的厚度和基于面积的负载量之间的关系，则得到以mm3/mg为单位的值。因此，无论电极和隔膜的面积大小，都可以将各种系统相互比较。通过结合根据本专利技术的特性实现了电池性能的显著提高。为了使所述隔膜厚度与所述负载量的比值最小化，认识到，在本专利技术的范围内，首先，负载量必须高，且其次，聚合物隔膜必须薄。随着隔膜厚度与负载量的比率变低，能量密度的增加变得更大，即，电池中单位重量和/或单位体积的可用容量更大。在现有技术中，WO2011/098233公开了一种通过使用三维集电器获得的锂离子电池，其中正极具有高达140mg/cm2的高负载量并结合了SO2基电解质溶液，但是该文献没有说明分离膜的类型。美国专利9,209,458B2公开了一种具有嵌入型电极的可充电锂离子电池，该锂离子电池使用SO2基电解质溶液。其报道了正极负载量高达180mg/cm2。这些电池具有由无机材料制成的隔膜，例如由氧化物、碳化物或硅酸盐制成的隔膜。例如也采用玻璃纤维材料。专利申请WO2013/024045也公开了具有无机SO2基电解质溶液的锂离子电池，该电池使用基于玻璃纤维的隔膜。玻璃纤维材料是由各种纺织纤维复合结构组成的纺织材料，例如，玻璃纤维的织物、非织造物和针织织物。该文献介绍的电池，其中至少一个电极被玻璃纤维纺织材料的包层包覆。但是，该文献没有说明其正极上负载有活性材料。现有技术中，材料与电解质溶液的良好润湿性被认为是玻璃纤维隔膜和基于SO2的电解质溶液结合使用的重要优点。由于隔膜的极性，使得电解质能够很好地渗入隔膜，并且使电极之间进行离子传输，这对于电池的正常运行是绝对必须的。基于无机材料的隔膜的其他优点包括相对于腐蚀性的SO2基电解质以及任何导致过载的产物(例如氯化铝和硫酰氯)具有化学稳定性和机械稳定性。由于玻璃纤维隔膜的厚度可能通常更大，因此当填充电池时，电解质可以从电池上方通过隔膜到达电极。成功的电学短路测试已证明隔膜可以很好地防止电子传输。然而，根据普遍的共识，在上述优点的基础上，基于无机材料的隔膜(具体为由玻璃纤维材料制成的隔膜)还有许多不利因素需要考量。玻璃纤维材料制成的隔膜要求有一个最小厚度，否则玻璃纤维编织材料会变得渗透性太大，这会导致短路。此外，玻璃纤维隔膜的厚度和体积使电池所需的重量和体积增加。使得电池的重量影像密度(gravimetricimagedensity)(Wh/kg)以及体积能量密度(Wh/L)降低。纤维材料的加工很困难，因为材料在切割时可能会磨损，除非采取复杂的措施来抵消磨损。此外，形成的小颗粒对健康有害。短路的风险是基于纤维可能破裂或移位和/或均匀性差(例如由于织造材料中的织造错误)的事实。由于纤维断裂的风险，不可能在玻璃纤维隔膜中(例如在边缘周围)形成急弯(tightbends)。生产袋需要大量的材料并且需要额外的粘合组件进行闭合。尽管玻璃纤维隔膜存在许多缺点，但由于SO2电解质及其反应产物的腐蚀性，在可充电锂离子电池的现有工艺技术中仅使用基于玻璃纤维的惰性隔膜。令人惊讶地发现，在本专利技术的范围内，如果将所述隔膜用于具有正极、负极、隔膜和含有SO2以及电池活性金属导电盐的电解质的可充电电化学电池单元时，可以更容易地实现非常好的电性能数据，具体地是优异的长期稳定性，其中所述隔膜包括隔膜层，隔膜层为有机聚合物隔膜层，并且基于嵌入型正极的活性材料相对于面积的负载量，所述有机聚合物隔膜层的厚度为小于0.25mm3/mg。基于本专利技术之前可获得的信息，不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可充电电池单元，包括正极(4)、负极(5)、含有导电盐的电解质以及置于所述正极(4)和所述负极(5)之间的隔膜(11)，其中‑所述负极(5)为嵌入型电极，‑所述正极(4)为嵌入型电极，并且‑所述电解质是基于SO2，并且‑所述隔膜(11)包括隔膜层(15，16)，所述隔膜层为有机聚合物隔膜层，并且‑基于嵌入型正极的活性物质的单位面积负载量，所述有机聚合物隔膜层的厚度为小于0.25mm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.23 EP 17157642.4;2017.05.09 EP 17170165.91.一种可充电电池单元，包括正极(4)、负极(5)、含有导电盐的电解质以及置于所述正极(4)和所述负极(5)之间的隔膜(11)，其中-所述负极(5)为嵌入型电极，-所述正极(4)为嵌入型电极，并且-所述电解质是基于SO2，并且-所述隔膜(11)包括隔膜层(15，16)，所述隔膜层为有机聚合物隔膜层，并且-基于嵌入型正极的活性物质的单位面积负载量，所述有机聚合物隔膜层的厚度为小于0.25mm3/mg。2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，基于嵌入型正极的活性物质的单位面积负载量，所述有机聚合物隔膜层的厚度为小于0.20mm3/mg，优选小于0.15mm3/mg，优选小于0.10mm3/mg，并且特别优选小于0.05mm3/mg。3.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述嵌入型正极基于该正极面积的活性材料的负载的量为至少30mg/cm2，优选为至少40mg/cm2，更优选为至少60mg/cm2，更优选为至少80mg/cm2，更优选为至少100mg/cm2，更优选为至少120mg/cm2，并且特别优选为至少140mg/cm2。4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述有机聚合物隔膜层的厚度为至多0.2mm，优选为至多0.15mm，更优选为至多0.1mm，更优选为至多0.09mm，更优选为至多0.08mm，更优选为至多0.07mm，更优选为至多0.06mm，更优选为至多0.05mm，更优选为至多0.04mm，更优选为至多0.03mm并且特别优选为至多0.02mm。5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述正极(5)的厚度为至少0.25mm，优选为至少0.3mm，更优选为至少0.4mm，更优选为至少0.5mm并且特别优选为至少0.6mm。6.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述有机聚合物隔膜层由聚烯烃、部分卤素取代至完全卤素取代的聚烯烃、聚酯、聚酰胺或聚砜制成，其中，优选所述有机聚合物隔膜层由聚烯烃制成；并且进一步优选所述有机聚合物隔膜层由聚丙烯制成。7.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述有机聚合物隔膜层具有表面能并且所述电解质具有表面能，其中所述有机聚合物隔膜层的表面能大于或等于所述电解质的表面能，优选地所述有机聚合物隔膜层的表面能至少与所述电解质的表面能一样大，更优选地比所述电解质的表面能大至少5mN/m，更优选地比所述电解质的表面能大至少10mN/m，更优选地比所述电解质的表面能大至少15mN/m，特别优选地比所述电解质的表面能大至少20mN/m。8.根据权利要求7所述的电池单元，其特征在于，所述聚合物隔膜层含有功能分子，所述功能分子影响所述聚合物隔膜层的表面能，以协调所述聚合物隔膜层和所述电解质的表面层的表面能。9.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述聚合物隔膜层不含任何氟化合物。10.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述聚合物隔膜层为有机聚合物膜，其中，所述隔膜(11)优选地包括除所述有机聚合物膜之外的至少一个其他层，其中-所述有机聚合物膜具有第一表面和第二表面，-所述其他层具有第一层表面和第二层表面，-所述有机聚合物膜的一个表面与所述其他层表面之一接触，-其中，所述其他层优选为聚合物非织造布，优选地由聚烯烃组成，并且更优选地由聚丙烯组成，和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·沃法斯，L·津克，C·皮艾斯索拉，
申请(专利权)人：伊诺里斯资产股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH