用于锂离子二次电池组的无机材料制造技术

一种用于诸如锂离子二次电池组的电化学电池的电池，包括正极，所述正极具有作为阴极的活性材料和集流体；负极，所述负极具有作为阳极的活性材料和集流体；非水性电解质；以及放置在所述正极和所述负极之间的隔膜。所述阴极、所述阳极、所述电解质和所述隔膜中的至少一个包括以Si：Al比率范围为2

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子二次电池组的无机材料


[0001]本专利技术总体涉及用于诸如锂离子二次电池组的电化学电池的无机材料，例如捕获剂或添加剂。更具体地，本公开涉及沸石在锂离子二次电池组中使用的电池的一个或多个电极(正极或负极)中、隔膜中或电解质中作为无机捕获剂或添加剂的用途。

技术介绍

[0002]本部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，可能不构成现有技术。
[0003]锂离子电池组与锂离子二次电池组的主要区别在于，锂离子电池组表示包括一次电池的电池组，而锂离子二次电池组表示包括二次电池的电池组。术语“一次电池”是指不容易或不安全地充电的电池单元，而术语“二次电池”是指可以充电的电池组电池(battery cell)。如本文所用，“电池”是指电池组的基本电化学单元，包含电极、隔膜和电解质。相比之下，“电池组”是指电池的集合，例如一个或多个电池，并且包括外壳(housing)、电连接和用于控制和保护的可能的电子设备。
[0004]由于锂离子(例如，一次电池)电池组是不可充电的，它们目前的保质期为约三年，之后就毫无价值了。尽管寿命如此有限，但锂电池组可以提供比锂离子二次电池组更多的容量。锂电池组使用锂金属作为电池组的阳极，不像锂离子电池组可以使用许多其他材料来形成阳极。
[0005]锂离子二次电池电池组的一个关键优点是它们在变得无效之前可多次充电。锂离子二次电池组经历多次充放电循环的能力源于发生的氧化还原反应的可逆性。由于锂离子二次电池组的高能量密度，其被广泛用作许多便携式电子设备(如手机、笔记本电脑等)、电动工具、电动汽车和电网储能的能源。
[0006]在运行中，锂离子二次电池组通常包括一个或多个电池，其包括负极、非水性电解质、隔膜、正极和用于每个电极的集流体。所有这些组件都密封在箱、围隔、袋、包、圆柱壳等(通常称为电池组的“外壳”)中。隔膜通常是具有微米级孔的聚烯烃膜，其防止正极和负极之间的物理接触，同时允许锂离子在电极之间来回传输。非水性电解质为放置在每个电极和隔膜之间的锂盐溶液。
[0007]在运行过程中，希望电池组表现出的库仑效率或电流效率和放电容量保持相对恒定。库仑效率描述了电子在电池组内传输的充电效率。放电容量代表可以从电池组提取的电荷量。锂离子二次电池组可能由于长时间暴露于水分(例如水)、氟化氢(HF)和溶解的过渡金属离子(TM
n+
)而经受容量和/或效率的降低。事实上，一旦20％或更多的原始可逆容量丢失或变得不可逆，锂离子二次电池组的寿命就会受到严重限制。延长锂离子二次电池组的可充电容量和整体寿命的能力可以降低更换成本并减少处理和回收的环境风险。
附图说明
[0008]为了更好地理解本公开，现在将参考附图描述以实例的方式给出的其多种形式。每个附图中的组件不一定按比例绘制，而是重在说明本专利技术的原理。
[0009]图1A是根据本公开的教导形成的锂离子二次电池的示意图，其中无机添加剂形成正极的一部分。
[0010]图1B是根据本公开的教导形成的另一个锂离子二次电池的示意图，其中无机添加剂形成负极的一部分。
[0011]图1C是根据本公开的教导形成的又一个锂离子二次电池的示意图，其中无机添加剂在隔膜上形成涂层。
[0012]图1D是根据本公开的教导形成的锂离子二次电池的又一示意图，其中无机添加剂分散在电解质中。
[0013]图2A是根据本公开的教导形成的锂离子二次电池组的示意图，其示出了图1A
‑
图1D的二次电池的层叠以形成更大的混合电池。
[0014]图2B是图2A的锂离子二次电池组的示意图，其中无机添加剂进一步在外壳的内壁上形成涂层。
[0015]图3A是根据本公开的教导形成的锂离子二次电池组的示意图，显示出了串联的图1A
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图1D的二次电池的合并。
[0016]图3B是图3A的锂离子二次电池组的示意图，其中无机添加剂进一步在外壳的内壁上形成涂层。
[0017]图4是根据本公开制备的涂覆的隔膜的表面的扫描电子显微照片(SEM)。
[0018]图5是具有常规隔膜的电池和根据本公开制备的具有涂覆的隔膜的电池的随循环次数测量的归一化的放电容量的图示。
[0019]图6是具有常规隔膜的电池和根据本公开制备的具有涂覆的隔膜的电池的随循环次数测量的库仑效率的图示。
[0020]本文描述的附图仅用于说明目的并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
[0021]以下描述本质上仅是示例性的，且不旨在以任何方式限制本公开或其应用或用途。例如，根据本文包含的教导制造和使用的沸石在本公开全文中是结合用于锂离子二次电池组的二次电池进行描述的，以便更充分地说明其结构要素及其用途。在本公开的范围内考虑这种无机材料作为添加剂整合和用于其他应用，包括但不限于在其他电化学电池中，例如在锂离子电池组中使用的一次电池中。应当理解，在整个说明书和附图中，相应的参考标号表示相同或相应的部件和特征。
[0022]出于本公开的目的，术语“约”和“基本上”在本文中用于关于由于本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量的限制和可变性)而导致的可测量值和范围。
[0023]出于本公开的目的，术语“至少一个”和“一个或多个”要素可互换使用并且可以具有相同的含义。这些术语表示包括单个要素或多个要素，也可以由要素末尾的后缀“(s)”表示。例如，“至少一种金属”、“一种或多种金属”和“金属(s)”可互换使用并旨在具有相同的含义。
[0024]本公开总体上提供一种无机材料，包括硅(Si)：铝(Al)比率范围为约2至约50的一种或多种类型的沸石、基本由硅(Si)：铝(Al)比率范围为约2至约50的一种或多种类型的沸石组成、或由硅(Si)：铝(Al)比率范围为约2至约50的一种或多种类型的沸石组成，所述沸
石可以吸收在锂离子二次电池组的外壳内可能存在或形成的有害物质，例如，水分(H2O)、游离的过渡金属离子(TM
n+
)和/或氟化氢(HF)。当所述无机材料应用于电解质、隔膜、正极和负极中的至少一种时，这些有害物质的去除延长了电池的有效时间(calendar)和循环寿命。所述无机材料也可以应用于锂离子二次电池组的外壳的内壁。
[0025]为了解决上述问题，所述无机材料充当电池组的外壳内存在的有害物质的捕获剂或清除剂。所述无机材料通过选择性地有效吸收水分、游离的过渡金属离子和/或氟化氢(HF)来实现这一目标，同时所述无机材料对包括锂离子和其中含有的有机传输介质的非水性电解质的性能没有影响。多功能的无机颗粒可以被引入到锂离子二次电池组或其中的每个电池中，作为正极的添加剂、负极的添加剂和非水性电解质的添加剂中的至少一种，以及作为应用于隔膜的涂层材料。
[0026]参考图1A至图1D，二次锂离子电池1通常包括正极10、负极20、非水性电解质30和隔膜40。正极10包括用作电池1的阴极5的活性材料和与阴极5接触的集流体7，使得当电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电化学电池的电池，所述电化学电池为例如锂离子二次电池组，所述电池包括：正极，所述正极包括作为电池的阴极的活性材料和与所述阴极接触的集流体；其中，当所述电池充电时，锂离子从所述阴极流向阳极；负极，所述负极包括作为电池的阳极的活性材料和与所述阳极接触的集流体；其中，当所述电池放电时，锂离子从所述阳极流向所述阴极；非水性电解质，位于所述负极和所述正极两者之间并与所述负极和所述正极两者接触；其中，所述非水性电解质支持锂离子在所述正极和所述负极之间的可逆流动；以及隔膜，放置在所述正极和所述负极之间，使得所述隔膜将所述阳极和所述电解质的一部分与所述阴极和所述电解质的剩余部分分隔开；其中，所述隔膜是可渗透的以使锂离子通过所述隔膜可逆流动；其中，所述阴极、所述阳极、所述电解质和所述隔膜中的至少一个包括无机添加剂，所述无机添加剂吸收出现于所述电池中的水分、游离的过渡金属离子或氟化氢(HF)中的一种或多种；所述无机添加剂是硅(Si)：铝(Al)比率范围为约2至约50的一种或多种类型的沸石。2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述无机添加剂分散在所述正极、所述负极、所述电解质和所述隔膜中的至少一个的至少一部分内，或以涂层的形式应用于所述负极、所述正极或所述隔膜的表面的一部分上。3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述无机添加剂表现出CHA、CHI、FAU、LTA和LAU的一种或多种沸石骨架。4.根据权利要求1
‑
3所述的电池，其中，所述无机添加剂包括具有板状、立方体、球形或其组合的形态的颗粒。5.根据权利要求1
‑
4所述的电池，其中，所述无机添加剂包括粒度(D
50
)范围为约0.05微米(μm)至约5微米(μm)的颗粒。6.根据权利要求1
‑
5所述的电池，其中，所述无机添加剂表现出约10m2/g至约1000m2/g的表面积。7.根据权利要求1
‑
6所述的电池，其中，所述无机添加剂表现出0.1cc/g至2.0cc/g的孔体积。8.根据权利要求1
‑
7所述的电池，其中，所述无机添加剂包括以所述无机添加剂的总重量计低于1重量％的钠(Na)浓度。9.根据权利要求1
‑
8所述的电池，其中，所述无机添加剂是锂离子交换沸石，使得锂离子的浓度为以所述无机添加剂的总重量计约0.1重量％至约20重量％。10.根据权利要求1
‑
9所述的电池，其中，所述无机添加剂包括选自K、Mg、Cu、Ni、Zn、Fe、Ce、Sm、Y、Cr、Eu、Er、Ga、Zr和Ti的一种或多种掺杂元素。11.根据权利要求1
‑
10所述的电池，其中，所述正极包括锂过渡金属氧化物或锂过渡金属磷酸盐；所述负极包括石墨、锂钛氧化物、硅金属或锂金属；所述隔膜是聚合物膜；以及所述非水性电解质是分散在有机溶剂中的锂盐溶液。
12.一种锂离子二次电池组，包括：一个或多个二次电池；以及一个或多个外壳，使得来自所述一个或多个外壳之一的内壁封装所述二...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：太平洋工业发展公司，
类型：发明
国别省市：