陶瓷隔板在具有含离子液体的电解质的锂离子电池中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种填充以电解质组合物的隔板，其中所述的隔板具有陶瓷表面，并且电解质组合物含有离子液体。填充电解质组合物的过程可以例如通过将隔板嵌入到填充以相应电解质组合物的锂离子电池中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及以具有离子液体的电解质填充的、陶瓷或主要是陶瓷的隔板在锂离子电池中的应用。锂离子电池是具有很高能量密度(最多180Wh/kg)的能量储存系统。这些锂离子电池首先应用于便携式电子设备领域，例如笔记本电脑，便携式摄像机，手机，也就是所谓的移动电话。其中，负电极材料主要由石墨碳、导电碳黑和合适的粘结材料组成。这种“石墨电极”由于其稳定的回路特性和——与锂金属(用于所谓的“锂金属电池”中)相比——相当高的操作可靠性而被人们使用，尽管石墨碳只具有相对于Li/Li+很低的约100至200mV的电势。在锂离子电池充电时，锂离子会嵌入在石墨碳中，同时锂离子又会由于电子吸收而减少。在放电时，这一过程则相反。用作正电极材料的主要是锂-过渡金属氧化物，例如LiCoO2、LiNiO2或LiMnxNiyCo1-x-yO2，它们都具有很高的电势(相对于Li/Li+3.8-4.2V)。另外，由于电极组合，通过较高的可以高达4V的电势范围即可得到较高能量密度的锂离子电池。如此之高的电势差就对所用的电解质材料提出了较高要求，例如要将由极性液体和锂盐构成的组合用作电解质，其中锂盐承担了离子传导的作用。在所给定的锂离子电池中的条件下，现有技术的电解质通常无法保持长久的稳定，因为在负极上，无论电解质液体还是锂的导电盐都会减少。锂离子电池的工业实用性归功于以下事实，即传统电解质的一种重要成分，例如碳酸亚乙酯，在负极的还原过程中会在石墨表面形成一层不溶于电解质的膜(固体电解质界面层)，这层膜能允许离子传导但是却抑制了电解质的进一步还原。所谓传统的电解质，应理解为是基于碳酸酯，如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙二酯(PC)，或者内酯，如γ-丁内酯(γ-BL)的那些。室温下固态的碳酸亚乙酯，通常和低粘度的溶剂，如碳酸二甲酯或碳酸乙基甲基酯(EMC)混合使用，以提高传导能力。-->近来也有一些研究，其中至少部分地以不易燃烧的电解质来代替较易燃烧的碳酸酯电解质，以提高锂离子电池的安全性。Blomgren等人记载了离子液体作为电解质材料在锂离子电池中的应用(A.Webber，G.E.Blomgre，Advances in Lithium-Ion Batteries(2002)，185-232；G.E.Blomgren，J.Power Sources 2003，119-121，326-329)。Covalent协会在WO01/93363中记载了一种不可燃的电解质，其由具有有机阳离子的盐构成或者由离子液体(IL)、有机溶剂、丙烯酸酯聚合物或氟代聚合物以及导电盐构成。在JP2002373704中，Yuasa公司记载了一种由室温下熔融的盐、锂盐和具有π-键的环酯组成的非水电解质。Mitsubishi Chemicals Industries Ltd.在JP11307121中记载了一种由基于咪唑季盐或嘧啶季盐离子的离子液体，和1至130体积％的有机环状化合物构成的电解质。尽管已经做了许多尝试，但离子液体(IL)还是没能成功地在电池电解质中用作溶剂。这其中的原因很可能在于，由于相比于传统隔板润湿性较差，所以在锂离子电池中使用离子液体作为电解质中的溶剂是较为不利的。因此，本专利技术的任务在于提供一种体系，该体系中可以将离子液体(IL)用作电解质的成分，同时该体系在润湿性方面应具有堪与传统碳酸酯电解质相比的性能。含有基于IL作为溶剂的电解质的传统隔板润湿性差的一个理由是因为Li电池中传统的隔板是基于疏水性材料，如PE和/或PP的。它们几乎不能被极性的离子液体润湿。由于传统隔板的可润湿性差，所以一方面，需要较长时间，直到可以电解质填装卷绕的电池；另一方面，可润湿性差又会导致电解质不均匀地分布在电池中(因为在隔板中残存着例如气泡或未填满的孔隙)，而这就会使得电池的长久稳定性变差。此外，可润湿性差还会导致电池的可充电性变得很差，也就是说，最大充/放电流较低。现已惊奇地发现，该任务可通过结合使用由陶瓷构成的或者具有由陶瓷构成的表面的隔板与含有离子液体的电解质而完成。由于隔板(至少是在隔板的表面上)的陶瓷本性而使得其是极其亲水的，并因-->此而能很好地用含有离子液体的极性电解质来润湿。现有技术中已公开了那些用于基于传统电解质的Li电池中的，具有涂覆在载体如聚合物纤维网上的陶瓷材料的陶瓷隔板，例如WO03/021697，WO03/072231，WO03/073534，WO2004/021469，WO2004/021474，WO2004/021475，WO2004/021476，WO2004/021477和WO2004/021499。因此，本专利技术的内容在于陶瓷隔板或具有陶瓷表面的隔板在电池中的用途，特别是包括在基材上和在基材内存在有涂层且设置有多个开口的柔性扁平基材的隔板在电池中的用途，其中所述基材的材料选自纺织或未纺的不导电天然纤维或聚合物纤维并且涂层是多孔的电绝缘的陶瓷涂层，同时，隔板在电池中以含有导电盐和基体成分的电解质组合物填充，且其中的基体成分含有大于50重量％的至少一种具有小于100℃熔点的离子液体作为主成分。此外，本
技术实现思路
还在于一种填充以电解质的隔板，其包括设置有多个开口且在基材上和在基材内存在涂层的柔性扁平基材，其中，基材的材料选自纺织或未纺的不导电天然纤维或聚合物纤维并且涂层是多孔的电绝缘的陶瓷涂层，同时，隔板以电解质组合物填充，其特征在于，电解质组合物含有导电盐和基体成分，且其中的基体成分含有大于50重量％的至少一种具有小于100℃熔点的离子液体作为主成分。同时，本
技术实现思路
也在于一种制备本专利技术隔板的方法，该方法中首先是对设有多个开口的柔性扁平基材，在其内部和其上设置涂层，方法是将含有分散于溶胶中的至少一种无机化合物的颗粒的分散液涂覆于基材上并且至少进行一次加热，且在加热过程中悬浮液会固着在载体上和载体内，本专利技术方法的特征在于，用含有导电盐和基体成分的电解质组合物浸渍如此预制得的隔板，其中所述基体成分作为主成分而含有大于50重量％的至少一种具有小于100℃熔点的离子液体。此外，本
技术实现思路
还在于本专利技术隔板，特别是如权利要求中所述的隔板用作电池隔板的用途，特别是在锂金属或锂离子电池中，以及带有本专利技术隔板，特别是如权利要求中所述隔板的锂离子电池。另外，本专利技术的隔板本身也比传统隔板更为安全。聚合物隔板提供例如对于锂电池目前所需要的安全性，其是通过从某个温度起(切-->断(Shut-Down)温度，约120℃)阻断任何电流传输通过电解质而实现这一效果的。这一过程发生的原因是，在该温度下，隔板的孔结构会一起崩塌并且所有孔隙关闭。由于再也没有离子可以传输，所以可会导致爆炸的危险性反应也就终止了。如果电池由于外部环境而进一步受热，则在约150℃至180℃时就会超过破坏(Break-Down)温度。从该温度起，隔板就会熔化并且收缩。在电池单元的许多位置处就会发生两个电极之间的直接接触，并由此而导致大面积的内部短路。这样就导致发生会以电池爆炸作为结局的不可控反应，或者所形成的压力频繁地通过过压阀(防爆膜)并伴随着火苗释放出来。在本专利技术的含有无机成分和优选的一种聚合材料作为基材的隔板中，当由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有陶瓷表面和包括在基材上和在基材内存在有涂层且设置有多个开口的柔性扁平基材的隔板在电池中的用途，其中所述基材的材料选自纺织或未纺的不导电天然纤维或聚合物纤维并且涂层是一种多孔的电绝缘的陶瓷涂层，同时，隔板在电池中以含有导电盐和基体成分的电解质组合物填充，且其中的基体成分含有大于５０重量％的至少一种具有小于１００℃熔点的离子液体作为主成分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2004-4-20 102004018930.71.具有陶瓷表面和包括在基材上和在基材内存在有涂层且设置有多个开口的柔性扁平基材的隔板在电池中的用途，其中所述基材的材料选自纺织或未纺的不导电天然纤维或聚合物纤维并且涂层是一种多孔的电绝缘的陶瓷涂层，同时，隔板在电池中以含有导电盐和基体成分的电解质组合物填充，且其中的基体成分含有大于50重量％的至少一种具有小于100℃熔点的离子液体作为主成分。2.如权利要求1所述的用途，其特征在于，电池是锂金属电池或锂离子电池。3.如权利要求1或2所述的用途，其特征在于，填充以电解质组合物的隔板是一种如权利要求4至22之一所述的隔板。4.包括在基材上和在基材内存在有涂层且设置有多个开口的柔性扁平基材的隔板，其中所述基材的材料选自纺织或未纺的不导电聚合物纤维或天然纤维并且涂层是多孔的电绝缘的陶瓷涂层，同时，隔板以电解质组合物填充，其特征在于，电解质组合物含有导电盐和基体成分，并且基体成分含有大于50重量％的至少一种具有小于100℃熔点的离子液体作为主成分。5.如权利要求4所述的隔板，其特征在于，隔板中含有作为柔性基材的纤维网，且纤维网材料选自未纺的不导电聚合物纤维。6.如权利要求5所述的隔板，其特征在于，纤维网的厚度小于30μm，孔隙率大于50％且孔径分布为至少50％的孔隙具有75至150μm的孔径。7.如权利要求4至6中至少一项所述的隔板，其特征在于，基材含有选自聚丙烯腈，聚酰胺，聚酰亚胺，聚丙烯酸酯，聚四氟乙烯，聚酯和/或聚烯烃的纤维的聚合物纤维。8.如权利要求7所述的隔板，其特征在于，聚合物纤维具有0.1至10μm的直径。9.如权利要求4至8中至少一项所述的隔板，其特征在于，基材是面重量为小于20g/m2的柔性纤维网。10.如权利要求4至9中至少一项所述的隔板，其特征在于，基材具有5至30μm的厚度。11.如权利要求4至10中至少一项所述的隔板，其特征在于，基材-->的孔隙率为50至97％。12.如权利要求4至11中至少一项所述的隔板，其特征在于，位于基材上和基材内的涂层含有金属Al，Zr，Si，Sn，Ce和/或Y的氧化物，氮化物或碳化物。13.如权利要求4至12之一所述的隔板，其特征在于，位于基材上和基材内的多孔陶瓷涂层是元素Al，Si和/或Zr的氧化物颗粒，且其平均粒径为0.1至7μm。14.如权利要求4至13之一所述的隔板，其特征在于，位于基材...

【专利技术属性】
技术研发人员：G霍佩尔，V汉尼格，C海英，S奥贾斯丁，C乔斯特，
申请(专利权)人：德古萨公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]