锂离子电池的隔板-电极部件及其生产方法和在锂电池中的用途技术

本发明专利技术涉及用在锂电池上的隔板－电极部件、其使用的方法。该隔板－电极部件包括适用于锂电池正极（阴极）或负极（阳极）的多孔电极和涂覆到该电极上的隔板层，其特征在于：隔板－电极部件包含纯无机隔板层，该无机隔板层包含至少两部分金属氧化物颗粒，其平均粒度和／或金属元素各不相同。尤其是该隔板层包含其平均粒度（Ｄ↓［ｇ］）大于多孔正极平均孔尺寸（ｄ）的金属氧化物颗粒，多孔正极通过粒度（Ｄ↓［ｋ］）小于多孔正极的孔尺寸的金属氧化物颗粒连接。本发明专利技术隔板的优点是可以简单的方法作为构件生产，并因为可以省掉将隔板层压到电极上的步骤，所以可以用各种材料来制造。另外，本发明专利技术的隔板－电极部件表现出优异的机械稳定性，而且隔板厚度极小，这就是该隔板为什么可以用在高能锂电池上的原因。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池的隔板—电极部件及其生产方法和在锂电池中的用途本专利技术涉及锂离子电池的隔板—电极部件，其生产方法和应用。电隔板是在电池和其他装置中使用的隔板，这些装置中的电极例如必须彼此隔开，但同时应保持离子导电性。隔板通常是一种薄型多孔绝缘材料，具有高的离子渗透性、良好的机械强度和对体系如电池的电介质中使用的化学品和溶剂具有长期的稳定性。隔板应使电池中的阴极和阳极完全电绝缘地隔离开，但是能渗透电解质。此外，隔板必须具有持久的弹性，并且在充放电过程中可在体系例如电极组中移动。隔板是决定其中安装了隔板的装置，例如电池的使用寿命的关键。因此，可充电电池的发展是由适当的隔板材料的发展来标志的。有关电隔板和电池的一般信息例如可以从J.O.Besenhard in“Handbook ofBattery Materials”(VCH-Verlag，Weinheim 1999)查到。目前使用的隔板主要由多孔有机聚合物膜(例如EP0892448，EP0967671)或无机的无纺织物组成，无机的无纺织物例如由玻璃材料或陶瓷材料或其他的陶瓷纸组成。这些产品由各公司生产，主要产品包括Celgard，Tonen，Ube，Asahi，Binzer，Mitsubishi，Daramic等。典型的有机隔板例如由聚丙烯或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合材料组成。现在，制备锂二次电池通常是先分别制备电极和隔板，再由电池制造商进行组装。组装例如可以通过高温、高压下的层压实现。该方法简单易行，直接将隔板加在两个电极中的一个电极上。正极(阴极)主要由多孔锂化合物例如LiCoO2或LiMnO2组成，其连接或复合在耐热聚合物基体例如聚偏1，1-二氟乙烯中或通过耐热聚合物基体连接或复合。负极(阳极)通常由石墨构成，同样是与聚合物粘附。直接在常规的隔板材料，例如PP和PE上施加薄型多孔层或膜是很困难的。因此，现在的习惯做法是将电极和隔板经过层压组装在一起。为此，要使用含有较耐热的聚合物隔板。例如，EP1049188中的隔板是通过如下方法制备-->的，先制备锂—玻璃—陶瓷粉末，将这种粉末悬浮在由聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)、六氟丙烯和丙酮组成的溶液中，接着用该悬浮液制膜。将由此制备的隔板层压到正极上。同样，在DE19918856中公开的隔板也是先单独制备，接着将它们层压到正极上。DE19918856中公开的隔板也是用悬浮液制膜法制备的，所述的悬浮液是一种具有含氮芳香聚合物(作为一种极耐热的聚合物)和陶瓷粉末的溶液。现有技术还公开了在负极(石墨)上直接涂以多孔聚合物层(WO01/91219、WO01/89022)，所述层可以含有陶瓷颗粒填料，例如TiO2、SiO2或Al2O3。但是现有技术未公开采用纯陶瓷直接涂敷电极即阳极或阴极的技术。同样，现有技术几乎也未公开用于锂离子电池的陶瓷隔板。WO99/15262公开了一种复合材料，是将含陶瓷颗粒引入到多孔载体上并在该载体上进行固化形成的，这种复合材料同样适用作隔板，但是WO99/15262没有公开隔板—电极部件的直接生产方法。而且，研究发现这些现有技术公开的材料和技术不能用来生产隔板—电极部件。本专利技术的目的是提供一种方法，用此方法可以在电极上直接形成隔板以制备隔板—电极部件。这种隔板—电极部件所具有的柔软性应该与经层压制备的元件一样出色。令人惊奇地发现，通过涂敷一种分散在溶胶中的金属氧化物颗粒的悬浮液，所述金属氧化物选自Al2O3和ZrO2，其颗粒尺寸最好大于待涂覆的电极的孔尺寸，并接着固化形成在电极上的多孔的无机材料层，因而可以在电极上覆盖一层薄型隔板，在用电解液或电解液凝胶浸渍隔板后，其具有优异离子导电性并且还具有极可能防止熔毁的安全性。这种隔板—电极部件还具有与所用正极或负极相当的柔软性。本专利技术的目的是还提供一种隔板—电极部件，包括在锂电池中用作电极的多孔电极，即正极或负极，和涂于该电极上的隔板层，其特征在于该隔板—电极部件包括无机材料隔板层，该无机材料隔板层包括至少两部分其平均粒度和/或金属元素彼此不同的金属氧化物颗粒。本专利技术的目的是还提供一种生产本专利技术隔板—电极部件的方法，其特征在于，将一种分散在溶胶中的金属氧化物颗粒的悬浮液涂覆在作为基片的用作锂电池正极或负极的多孔电极上，并采用至少一种热处理方法固化涂覆在电极上-->的无机材料隔板层，以形成作为隔板层的多孔无机材料涂层。本专利技术进一步提供本专利技术隔板—电极部件在锂电池中的应用以及包含本专利技术隔板—电极部件的锂电池。本专利技术隔板—电极部件的优点是生产方法极其简单，该生产方法还确保了使隔板极其牢固地粘附在电极上。所用隔板层不是多孔聚合物，而是多孔陶瓷层。该陶瓷层是通过悬浮液(浆料)涂覆在电极上并在适中的温度下固化形成的。由此可形成一层极薄的隔板层，该隔板层经电解质渗透后的阻抗极低。因此，该隔板/电极部件特别适用于大功率和高能电池。本专利技术的隔板—电极元件还具有极其出色的机械稳定性并且特别柔软。由于使用了多孔陶瓷隔板层，在隔板内或整个隔板中实际上不可能有晶须生长。而且，陶瓷层对两个电极起到了很好的保护作用，防止其发生机械短路，而无截体的隔板不可能有这个效果。无机陶瓷隔板层也能防止电池或隔板出现熔毁。所以，在本专利技术描述的隔板—电极部件中，其隔板层的安全性不仅比各种聚合物隔板的安全得多，而且比聚合物无纺织物作为载体的陶瓷隔板更安全。安全性在锂电池中有着相当重要的作用。锂电池与其他类型的电池(Pb、NiCd、NiMeH)不同，其电解质的溶剂不是水，而是一种易燃溶剂，例如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)，因为水在锂电池的高电位下将发生分解。出于这个原因，隔板可以，而且必须要保证高能电池的安全性。如果电池出现过热和毁坏，那么就会引起锂电池燃烧或发生爆炸。谈到安全性，主要包括下面两个方面：1、因电池的异常工作出现的加热，2、外部的加热。前一种情况例如可能是电池工作时出现的内部短路引起的，随后，电池在危险的反应中快速自放电，结果将产生大的电流，使密闭的二次电池在不利的情况下甚至发生爆炸。聚合物隔板例如使锂电池具有了目前所要求的安全性，它在一定的温度下(断路温度约120℃)能阻止任何电流流经电解质。这是因为多孔结构的隔板在该温度下遭到毁坏，所有的孔被密封的缘故。由于不再可能传输离子，就停止了可能招致爆炸的破坏性反应。但是，在第二种情况下，如果电池因外部环境而被进一步加热，以致超过-->约150℃的熔化温度。在此温度下，主要由PP组成的隔板将开始熔化并萎缩。此时，二次电池中的两个电极大部分直接接触，出现大面积的内部短路，反应变得不可控制，直到电池发生爆炸才结束，或者通过过压阀(防爆膜)释放形成的压力，并频繁地打火。本专利技术的隔板—电极部件包含无机隔板层，不可能出现所谓的熔毁现象，因为耐热的无机颗粒材料保证隔板不熔化。这就确保不会出现大面积的短路的工作状态。即便外部燃烧，电池被加热到200℃以上的温度，陶瓷隔板仍将发挥作用。假如想了解断路(熔毁)机理，那么借助简单的方法就能实现，先用颗粒材料涂覆隔板层的表面，在一定的温度下进行熔化，并堵塞隔板层的孔，这防止了任何其他的离子流流过。这个方法可以通过另外涂覆的其熔化点在要求的范围内聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隔板－电极部件，包括适用于锂电池电极的多孔电极和涂覆到该电极上的隔板层，其特征在于：该隔板－电极部件包括无机隔板层，无机隔板层包括其平均粒度和／或金属元素各不相同的至少两部分金属氧化物颗粒。

【技术特征摘要】
DE 2002-8-24 10238943.81、一种隔板-电极部件，包括适用于锂电池电极的多孔电极和涂覆到该电极上的隔板层，其特征在于：该隔板-电极部件包括无机隔板层，无机隔板层包括其平均粒度和/或金属元素各不相同的至少两部分金属氧化物颗粒。2、根据权利要求1的隔板-电极部件，其特征在于：隔板层包括平均粒度(Dg)大于多孔电极平均孔尺寸(d)的金属氧化物颗粒，该多孔电极通过粒度(Dk)小于多孔正极的孔尺寸的金属氧化物颗粒粘接。3、根据权利要求1或2的隔板-电极部件，其特征在于：隔板层的厚度(z)小于100Dg并不小于1.5Dg。4、根据权利要求1-3至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：隔板层的厚度(z)小于20Dg并不小于5Dg。5、根据权利要求1-4至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：平均粒度(Dg)大于多孔正极平均孔尺寸(d)的金属氧化物颗粒是Al2O3颗粒和/或ZrO2颗粒。6、根据权利要求1-5至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：平均粒度(Dk)小于多孔正极平均孔尺寸(d)的金属氧化物颗粒是SiO2颗粒和/或ZrO2颗粒。7、根据权利要求1-6至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：平均粒度(Dg)大于多孔正极平均孔尺寸(d)的金属氧化物颗粒的平均粒度(Dg)小于10微米。8、根据权利要求1-7至少一项的隔板-电极元件，其特征在于：该隔板层包括其他的涂层，该涂层包含在所需断路温度下含熔融的颗粒，即所谓的断路颗粒。9、根据权利要求8的隔板-电极部件，其特征在于：断路颗粒的平均粒度(Dw)不小于多孔隔板层的平均孔尺寸(ds)。10、根据权利要求8或9的隔板-电极部件，其特征在于：断路颗粒层的厚度(zw)从大约等于断路颗粒的平均粒度(Dw)至10Dw。11、根据权利要求1-10至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：隔板层的孔隙率为30-70％。-->12、根据权利要求1-11至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：该部件是可弯曲的，其弯曲半径低至50厘米时都未毁坏。13、根据权利要求1-11至少一项的隔板-电极部件，其特征在于：该电极适合于用作正极(阴极)或负极(阳极)。14、一种制备根据权利要求1-13至少一项的隔板-电极部件的方法，其特征在于：将一种分散在溶胶中的金属氧化物颗粒的悬浮物涂覆在适用于锂电池正极(阴极)或负极(阳极)的多孔电极的基片上，采用至少一种热处理方法固化涂覆在电极上的无机材料隔板层，形...

【专利技术属性】
技术研发人员：V亨尼格，C许英，G赫尔佩尔，S奥古斯丁，
申请(专利权)人：德古萨公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]