改善的涂覆的分隔件、锂电池及相关方法技术

本发明专利技术涉及多孔基底用的新的改善的涂层、层或处理，包括涂覆的或处理的多孔基底的电池分隔件，包括涂覆的电池分隔件、包含此类涂层的锂离子电池。根据本发明专利技术，公开了：多孔基底用的改善的涂层，所述基底包括电池分隔件，并且新的和/或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件，多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件，所述电池分隔件至少包含基体材料或聚合物粘结剂、耐热颗粒和选自由交联剂、低温关断剂、粘合剂和增稠剂组成的组中的至少一种组分，新的和/或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件，其中所述涂层至少包含基体材料或聚合物粘结剂、耐热颗粒和选自由交联剂、低温关断剂、粘合剂、增稠剂、减摩剂和高温关断剂组成的组中的至少一种组分。

【技术实现步骤摘要】
改善的涂覆的分隔件、锂电池及相关方法本申请为专利技术名称为“改善的涂覆的分隔件、锂电池及相关方法”、申请日为2019年1月4日、申请号为201980004555.4的申请的分案申请。本申请通常涉及2017年7月21日提交的PCT/US2017/043266，其中该专利申请的全部内容通过援引而合并于本文中。本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年1月22日提交的美国临时专利申请62/620,087的权益和优先权，并且通过引用将其全部并入本文。
本申请涉及多孔基底用的新的和/或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件或间隔膜；和/或涉及涂覆的多孔基底，其包括涂覆的电池分隔件；和/或涉及包含此类涂层或涂覆的分隔件的电池或电池单元；和/或涉及包括其制造和/或使用的方法的相关方法。根据至少特定的实施方案，本申请涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件，所述电池分隔件至少包含聚合物粘结剂和耐热颗粒且可以具有或不具有另外的添加剂、材料或组分；和/或涉及新的或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件，其中所述涂层至少包含聚合物粘结剂和耐热颗粒且可以具有或不具有另外的添加剂、材料或组分。根据至少某些实施方案，本申请涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件；和涉及新的和/或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件；并且更特别地，涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件，所述涂层至少包含(i)聚合物粘结剂，(ii)耐热颗粒，和(iii)选自由交联剂、低温关断剂、粘合剂和/或增稠剂组成的组中的至少一种组分；和/或涉及新的和/或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件，其中涂层至少包含(i)聚合物粘结剂，(ii)耐热颗粒，和(iii)选自由交联剂、低温关断剂、粘合剂、增稠剂、减摩剂、和/或高温关断剂组成的组中的至少一种组分。根据至少特定选择的实施方案，本申请涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件、电容器分隔件、燃料电池膜、纺织材料、服装材料或层、和过滤材料等；并且涉及新的和/或改善的涂覆或处理的多孔基底，所述基底包括电池分隔件；并且更特别地，涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件、电容器分隔件、燃料电池膜、纺织材料、服装材料或层、和过滤材料等，所述涂层至少包含(i)聚合物粘结剂、(ii)任选的有机和/或无机耐压、抗枝晶和/或耐热的颗粒，和(iii)选自由交联剂、关断剂、低温关断剂、高温关断剂、粘合剂、X射线可检测元素、减摩剂、和/或增稠剂组成的组中的至少一种组分；和/或涉及新的和/或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件，其中涂层至少包含(i)聚合物粘结剂、(ii)任选的有机和/或无机耐压、抗枝晶和/或耐热的颗粒，和(iii)选自由交联剂、关断剂、低温关断剂、高温关断剂、粘合剂、X射线可检测元素、减摩剂和/或增稠剂组成的组中的至少一种组分。
技术介绍
随着技术需求的增加，对于分隔件性能、品质和制造的需求也在增加。已经开发了各种技术以改善在锂电池中用作分隔件的膜或多孔基底的性能。聚合物涂层和含陶瓷的聚合物涂层的应用为改善锂电池中的微孔电池间隔膜的热安全性能的已知的方法。为了在如锂离子可再充电(或二次)电池系统等的各种电池系统中促进高温稳定性，控制在微孔电池间隔膜的分隔件-正极界面处的氧化，和改善的微孔电池间隔膜的安全性能，此类涂层可以作为在微孔电池间隔膜的一侧或两侧上的涂层或层施用。美国专利No.6,432,586，其全部内容通过援引而合并于本文中，公开了各种陶瓷涂覆的分隔件。另外，美国专利公开No.2014/0045033，其全部内容通过援引而合并于本文中，公开了微孔电池间隔膜用的含各种陶瓷颗粒的聚合物涂层，其可以提供安全性、电池循环寿命和高温性能的改善。此类涂层可以包含一种以上的聚合物粘结剂、一种以上的无机陶瓷颗粒和水性溶剂、非水性溶剂或水。可以使用各种技术如，但不限于浸涂、刮涂、凹版涂覆、幕涂、喷涂等来施用此类涂层。此外，可以将各种已知的含陶瓷颗粒的聚合物涂层以不同的厚度，例如，如2～6微米的厚度施用在微孔电池间隔膜的一侧或两侧上。持续提高的性能标准、安全标准、制造要求和/或环境问题使电池分隔件用的新的和/或改善的涂覆组合物的发展变为期望的。锂离子电池的一个可能的主要的安全问题为热失控。如过度充电、过度放电和内部短路等滥用条件，例如，会导致电池温度远远高于电池制造商期望他们的电池被使用的温度。电池的关断，例如，在热失控的情况下离子流动穿过例如在负极和正极之间的分隔件的停止，为用于防止热失控的安全机制。锂离子电池中的特定的分隔件提供在至少略低于热失控发生时的温度的温度下关断的能力，同时仍然维持它们的机械性能。非常期望在较低的温度下更快地关断并且延续更长的时间，例如，以使使用者或装置具有更长的时间来关断系统。锂离子电池的另一个可能的主要安全问题为在电极彼此接触时导致的短路(硬或软)。如果电极彼此直接接触，则可能发生硬短路，并且当从负极生长的大量(也许100)或非常大的锂枝晶与正极接触时，也可能发生硬短路。结果可能是热失控。从负极生长的小的或单个(或少量，如5)的锂枝晶与正极接触时，软短路可能发生。软短路可以降低电池的循环效率。某些过去的陶瓷涂覆的分隔件可能善于防止硬或软短路，但是一直期望改善分隔件的安全性和性能或枝晶阻断功能。例如，期望用越来越薄的膜和涂层来维持此功能。所以，存在需要至少对于至少某些过去的分隔件、膜、涂覆组合物和/或涂覆的电池分隔件的性能、安全性、结构、涂覆、制造等的改善。
技术实现思路
根据至少选择的实施方案，本申请、此处的公开或专利技术、由此提供或涵盖的可以解决先前的问题、需求或难题，和/或可以提供或涉及多孔基底用的新的和/或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件或间隔膜，和/或涉及涂覆的多孔基底，其包括涂覆的电池分隔件；和/或涉及包含此类涂层或涂覆的分隔件的电池或电池单元；和/或涉及包括其制造和/或使用的方法的相关方法。根据至少具体的实施方案，本申请、此处的公开或专利技术或以此涵盖的涉及对于多孔基底用的新的或改善的涂层，其包括电池分隔件，所述电池分隔件至少包含聚合物粘结剂和耐热颗粒且可以具有或不具有另外的添加剂、材料或组分；和/或涉及新的或改善的涂覆的多孔基底，所述基底包括电池分隔件，其中所述涂层至少包含聚合物粘结剂和耐热颗粒且可以具有或不具有另外的添加剂、材料或组分。根据至少某些实施方案，本申请涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件；并且涉及新的和/或改善的涂覆的或处理的多孔基底，其包括电池分隔件；并且更特别地，涉及多孔基底用的新的或改善的涂层，所述基底包括电池分隔件，所述涂层至少包含(i)聚合物粘结剂，(ii)耐热颗粒，和(iii)选自由交联剂、低温关断剂、粘合剂和增稠剂组成的组中的至少一种组分；和/或涉及新的和/或改善的涂覆的多孔基底，其包括电池分隔件，其中所述涂层至少包含(i)聚合物粘结剂，(ii)耐热颗粒，和(iii)选自由交联剂、低温关断剂、粘合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量可再充电锂电池的分隔件，其包括：/n至少一层陶瓷复合层或涂层，所述层由包含基体材料或聚合物粘结剂、耐热颗粒、和粘合剂的涂覆组合物形成；所述层适于至少阻断枝晶生长和以下中至少之一：/n阻断枝晶生长并且防止电子短路；/n在可再充电电池的整个寿命内的重复的充电-放电循环后阻断枝晶生长；/n在可再充电电池的整个寿命内的整个重复的充电-放电循环内防止电子短路；/n在重复的充电-放电循环后阻断枝晶生长；/n防止电子短路；/n在重复的充电-放电循环后阻断枝晶生长并且由此防止电子短路；/n通过防止高能量可再充电电池的负极和正极之间的直接接触来防止电子短路；/n通过在整个重复的充电-放电循环内防止负极和正极之间的直接接触来防止电子短路；/n通过在电池的整个循环寿命内防止负极和正极之间的直接接触来防止电子短路；/n通过消除由枝晶导致的硬短路来防止电子短路；/n通过消除由枝晶导致的软短路来防止电子短路；/n通过消除由在重复的充电-放电循环期间生长的枝晶导致的硬短路来防止电子短路；/n通过消除由在重复的充电-放电循环期间生长的枝晶导致的软短路来防止电子短路；/n通过在电池的整个商用寿命内消除由枝晶导致的硬短路来防止电子短路；/n通过在电池的整个商用寿命内消除由枝晶导致的软短路来防止电子短路；和/或/n适于防止其它电子短路，/n和至少一层聚烯烃微孔层，所述层适于以下中至少之一：/n阻断电池的负极和正极之间的离子流动；和/或/n关断和阻断电池的负极和正极之间的离子流动。/n...

【技术特征摘要】
20180122 US 62/620,0871.一种高能量可再充电锂电池的分隔件，其包括：
至少一层陶瓷复合层或涂层，所述层由包含基体材料或聚合物粘结剂、耐热颗粒、和粘合剂的涂覆组合物形成；所述层适于至少阻断枝晶生长和以下中至少之一：
阻断枝晶生长并且防止电子短路；
在可再充电电池的整个寿命内的重复的充电-放电循环后阻断枝晶生长；
在可再充电电池的整个寿命内的整个重复的充电-放电循环内防止电子短路；
在重复的充电-放电循环后阻断枝晶生长；
防止电子短路；
在重复的充电-放电循环后阻断枝晶生长并且由此防止电子短路；
通过防止高能量可再充电电池的负极和正极之间的直接接触来防止电子短路；
通过在整个重复的充电-放电循环内防止负极和正极之间的直接接触来防止电子短路；
通过在电池的整个循环寿命内防止负极和正极之间的直接接触来防止电子短路；
通过消除由枝晶导致的硬短路来防止电子短路；
通过消除由枝晶导致的软短路来防止电子短路；
通过消除由在重复的充电-放电循环期间生长的枝晶导致的硬短路来防止电子短路；
通过消除由在重复的充电-放电循环期间生长的枝晶导致的软短路来防止电子短路；
通过在电池的整个商用寿命内消除由枝晶导致的硬短路来防止电子短路；
通过在电池的整个商用寿命内消除由枝晶导致的软短路来防止电子短路；和/或
适于防止其它电子短路，
和至少一层聚烯烃微孔层，所述层适于以下中至少之一：
阻断电池的负极和正极之间的离子流动；和/或
关断和阻断电池的负极和正极之间的离子流动。


2.根据权利要求1所述的分隔件，其中所述陶瓷复合层包括以下中至少之一、所述陶瓷复合层具有以下中至少之一、所述陶瓷复合层为以下中至少之一、或者所述陶瓷复合层显示以下中至少之一：
厚度为0.01～25微米；
为涂层；
包括平均粒径为0.001～24微米的耐热颗粒；
为无孔的以使得一旦与电解质接触而形成孔；
进一步包含在其上形成的另一层不同的涂层；
包含20重量％～95重量％的选自由SiO2、Al2O3、CaCO3、TiO2、SiS2、和SiPO4等、及其混合物组成的组中的耐热颗粒，5重量％～80重量％的基体材料或聚合物粘结剂、和粘合剂的涂覆组合物，所述基体材料选自由聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、前述物质的共聚物、及其混合物组成的组；
包含平均粒径在0.001～24微米的范围内的耐热颗粒和在基体材料或聚合物粘结剂中的交联剂的涂覆组合物，其中所述耐热颗粒包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)、SiS2、SiPO4、或其混合物；
包含约20重量％～95重量％的耐热颗粒、约5重量％～80重量％的基体材料或聚合物粘结剂、和粘合剂的涂覆组合物。
包含平均粒径在0.001～24微米的范围内的耐热颗粒和在基体材料或聚合物粘结剂中的粘合剂的涂覆组合物，所述基体材料包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物，其中所述耐热颗粒包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)、SiS2、SiPO4、或其混合物；
包含平均粒径在0.001～24微米的范围内的耐热颗粒和在基体材料或聚合物粘结剂中的粘合剂的涂覆组合物，其中所述基体材料包含PVDF(聚偏氟乙烯)、PAN(聚丙烯腈)、PEO(聚环氧乙烷)、或其共聚物或其混合物；和/或
包含平均粒径在0.001～24微米的范围内的耐热颗粒和在基体材料或聚合物粘结剂中的粘合剂的涂覆组合物。


3.根据权利要求1所述的分隔件，其中所述聚烯烃微孔层具有以下中至少之一或所述聚烯烃微孔层包含以下中至少之一：
孔隙率为约20～80％；
平均孔径在0.02～2微米的范围内；
Gurley数在15～150秒的范围内；和/或
包含聚乙烯、聚丙烯、和其混合物中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的分隔件，其中所述耐热颗粒选自由以下组成的组：
SiO2；
A12O3；
CaCO3；
TiO2；
SiS2；
SiPO4；
有机材料或有机材料的混合物，并且所述有机材料为聚酰亚胺树脂、三聚氰胺树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂、聚苯乙烯树脂、聚乙烯基苯(PDVB)树脂、炭黑和石墨中的至少一种；和/或
其混合物。


5.根据权利要求1所述的分隔件，其中所述基体材料为或者所述基体材料包含：
选自由聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物组成的组；
其中嵌入所述耐热颗粒的连续材料；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物，PVDF和/或PEO和它们的共聚物、PVDF:HFP(聚偏氟乙烯：六氟丙烯)、PVDF:CTFE(聚偏氟乙烯：三氟氯乙烯)、具有小于23重量％CTFE的PVDF:CTFE、具有小于28重量％HFP的PVDF:HFP、或其混合物；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物；
包含聚偏氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、其共聚物、或其混合物；
包含可形成凝胶的聚合物；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物；
包含聚偏氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、其共聚物、或其混合物；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物；
包含聚偏氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、其共聚物、或其混合物；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物；
包含PVDF(聚偏氟乙烯)、PEO(聚环氧乙烷)、或其共聚物、或其混合物；
包含PVDF(聚偏氟乙烯)、或其共聚物、或其混合物；
选自由聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物组成的组；
选自由聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物组成的组；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物，PVDF和/或PEO和它们的共聚物、PVDF:HFP(聚偏氟乙烯：六氟丙烯)、PVDF:CTFE(聚偏氟乙烯：三氟氯乙烯)、具有小于23重量％CTFE的PVDF:CTFE、具有小于28重量％HFP的PVDF:HFP、或其混合物；
选自由聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物组成的组；
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物，PVDF和/或PEO和它们的共聚物、PVDF:HFP(聚偏氟乙烯：六氟丙烯)、PVDF:CTFE(聚偏氟乙烯：三氟氯乙烯)、具有小于23重量％CTFE的PVDF:CTFE、具有小于28重量％HFP的PVDF:HFP、或其混合物；和/或
包含聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四甘醇二丙烯酸酯、其共聚物、或其混合物，PVDF和/或PEO和它们的共聚物、PVDF:HFP(聚偏氟乙烯：六氟丙烯)、PVDF:CTFE(聚偏氟乙烯：三氟氯乙烯)、具有小于23重量％CTFE的PVDF:CTFE、具有小于28重量％HFP的PVDF:HFP、或其混合物。


6.根据权利要求1所述的分隔件，其中所述聚合物粘结剂包含以下中至少之一、所述聚合物粘结剂涵盖以下中至少之一或者所述聚合物粘结剂为以下中至少之一：
包含作为溶剂的水、水性溶剂、或非水性溶剂；
包含选自由聚内酰胺聚合物、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、羧甲基纤维素(CMC)、异丁烯聚合物、丙烯酸类树脂、和胶乳组成的组中的至少一种；
包含聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、羧甲基纤维素(CMC)、异丁烯聚合物、丙烯酸类树脂、和/或胶乳；
包含聚内酰胺聚合物，其为源自内酰胺的均聚物、共聚物、嵌段聚合物、或嵌段共聚物；
包含式(1)的聚内酰胺：



其中R1、R2、R3和R4为烷基或芳香族取代基，R5为烷基、芳基或稠环；和
其中优选的聚内酰胺为均聚物或共聚物，其中共聚基团X源自乙烯基、取代或未取代的烷基乙烯基、乙烯醇、乙酸乙烯酯、丙烯酸、丙烯酸烷基酯、丙烯腈、马来酸酐、马来酰亚胺、苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯基戊内酰胺、聚乙烯基己内酰胺(PVCap)、聚酰胺、或聚酰亚胺；其中m为1～10之间、优选2～4之间的整数，
并且其中l与n的比为0≤l:n≤10或0≤l:n≤1；
包含源自内酰胺的均聚物或共聚物，其中所述源自内酰胺的均聚物或共聚物为选自由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯基己内酰胺(PVCap)和聚乙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峥明，迈克尔·B·莱恩，全寅植，爱德华·克鲁格，余翔，罗尼·E·史密斯，斯蒂芬·雷纳兹，马俊青，丹尼尔·R·亚历山大，
申请(专利权)人：赛尔格有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US