具有含陶瓷的分隔器层的分隔器制造技术

本申请的实施例涉及具有含陶瓷的分隔器层的分隔器。所述含陶瓷的分隔器层包含多孔的金属氧化物纤维，金属氧化物纤维的直径在约3nm至约2μm的范围内，长径比在约20至约100,000的范围内，并且所述多孔金属氧化物纤维之间的总开孔体积在约0.01cm3/g至约1cm3/g的范围内。围内。围内。

【技术实现步骤摘要】
具有含陶瓷的分隔器层的分隔器
母案信息本申请是申请号为“201880088803.3”、标题为“具有含陶瓷的分隔器层的分隔器”的中国专利申请的分案申请。根据35 U.S.C.
§
119要求优先权
[0001]本专利申请要求2017年12月22日提交的题为“具有分隔电极用柔性陶瓷层的可靠能量存储装置”的美国临时申请No.62/609,796的权益，所述临时申请的全部内容通过引用明确地并入本文。


[0002]领域
[0003]本公开的实施方案通常涉及具有含陶瓷的分隔器层的分隔器的设计和制造及其在电化学能量存储装置和其它应用中的用途，以及包括具有含陶瓷的分隔器层的分隔器的改良能量存储装置的设计和制造。

技术介绍

[0004]背景
[0005]部分地由于其相对高的能量密度、相对高的比能量、重量轻和潜在的长寿命，高级可再充电电池对于广泛的消费电子设备、电动车辆、电网存储和其它重要应用是理想的。然而，尽管这些电化学能量存储装置在商业上日益普及，但仍需要进一步的发展，特别是对于在低排放或零排放、混合电动车辆或全电动车辆、消费电子设备、节能货船和机车、航空航天应用和电网中的潜在应用。特别地，对于多种电化学电容器和可再充电电池，如可再充电金属和金属离子电池(如可再充电锂电池和锂离子电池、可再充电钠电池和钠离子电池、可再充电镁电池和镁离子电池、可再充电钾电池和钾离子电池等)、可再充电碱性电池、可再充电金属氢化物电池、可再充电铅酸电池、其它可再充电水性电池、双层电容器、混合超级电容器和其它装置，期望在安全性、能量密度、比能量、功率密度、比功率、循环稳定性和使用寿命方面有进一步改善。此外，对于多种原电池以及在低温(例如，低于
‑
20℃)或高温(例如，高于60℃，如用于钻井应用或特殊应用的电池，如热电池)下运行的原电池和可再充电电池，期望在能量密度、比能量、功率密度、比功率和使用寿命方面有所改善。
[0006]用于许多这些原电池和可再充电的电化学能量存储装置(如锂离子(Li
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离子)电池、多种水性电池和电化学电容器)的隔膜通常由多孔聚合材料制成。这些隔膜需要电性地隔离电池单元中的阳极和阴极，以防止自放电，同时允许电解质离子在这些电极之间传输。用于制造这样的隔膜的聚合材料的已知实例包括烯烃(如聚丙烯或聚乙烯)、纤维素、芳族聚酰胺、尼龙、聚四氟乙烯等。在给定的隔膜应用中，聚合物的选择可以取决于其在装置制造和运行期间与电极(阳极和阴极)和电解质两者接触时的电化学和化学稳定性、所选电解质的润湿性、价格合理性、孔隙率和孔曲折度、机械性能、热特性以及其它因素。在能量存储装置中，这样的隔膜的典型厚度范围为从小至6微米到大至50微米。非常薄的聚合物膜使用
起来不安全，而非常厚的膜通常将能量存储装置的能量密度和比能量以及功率密度和比功率降低到不期望的水平。在某些常规Li离子电池中使用的隔膜的情况下，这样的聚合物膜的典型孔隙率在约30％至约50％的范围内，其中最典型的为约40％。尽管可以大量生产基于聚合物的隔膜，而且其又薄又柔软，但其受到多种限制，如有限的热稳定性、有限的强度和韧性(特别是如果制造得足够薄)、抗枝晶渗透性差、一些电解质的润湿性差、有限的电解质渗透性等。当能量存储装置达到其极限时，例如当这样的装置需要更快的充电、在更高的温度和更高的应力下更好的稳定性、更长的循环稳定性以及更长的使用寿命时，这些限制变得特别成问题。
[0007]因此，仍然需要改进的隔膜和改进的电化学能量存储装置，其中电极是电性分隔和离子耦合的。另外，仍然需要改进的材料和改进的制造工艺。

技术实现思路

[0008]本文公开的实施方案通过提供改进的电池、组分以及其它相关材料和制造工艺来解决上述需求。
[0009]作为实例，分隔器布置有含陶瓷的分隔器层。所述含陶瓷的分隔器层包含多孔金属氧化物纤维，所述纤维的直径在约3nm至约2微米的范围内，长径比在约20至约100,000的范围内，并且在所述多孔金属氧化物纤维之间的总开孔体积在约0.01cm3/g至约1cm3/g的范围内。
附图说明
[0010]呈现附图是为了帮助描述本公开的实施方案，并且提供附图仅仅是为了说明实施方案，而不是对其进行限制。除非上下文另有说明或暗示，否则附图中的不同阴影线、阴影和/或填充图案仅仅是为了在不同的组分、要素、特征等之间进行对照，而不是为了表达可能针对所采用的特定图案而在本公开之外限定的特定材料、颜色或其它特性的使用。
[0011]图1示出了根据多个实施方案的示例性(例如，Li离子或Na离子等)电池，在所述电池中可以应用本文所述的组分、材料、方法和其它技术或其组合。
[0012]图2示出了由Al2O3纳米纤维生产的示例性陶瓷分隔器。
[0013]图3是示出由小Al2O3纤维生产的陶瓷分隔器的多个方面的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0014]图4示出了直接沉积在铜箔集电器上的Si基Li离子电池阳极的一部分上的小Al2O3纤维分隔器层涂层的实例。分隔器涂层是由小Al2O3纤维的分散体沉积而成的。
[0015]图5示出了具有高电压LCO阴极和Si基Li离子电池阳极的四个全电池单元的性能，其中所述全电池构造有直接涂覆在Si阳极上的(两种厚度的)小Al2O3纤维分隔器层(厚SS阳极和薄SS阳极(thickSSAnode和thinSSAnode))，而与之相比的类似(对照)电池单元(对照4和对照5)使用常规商用聚合物(PP)分隔器生产。所有电池单元均构造有相同的阳极和阴极。容量(mAh/g)由阳极涂层的重量进行归一化。当电池单元以C/2倍率循环时，记录了中间循环滞后(V)。
[0016]图6和图7A至7B示出了包含根据本公开的实施方案生产的小氧化物纤维的隔膜。
[0017]图8A至8J示出了根据本公开的实施方案生产的几种类型的包含小纤维的隔膜的
几个示例性示意图。
[0018]图9示出了根据本公开的实施方案的可以在分隔器层涂层中使用的示例性陶瓷小板。
具体实施方式
[0019]在以下针对本专利技术的特定实施方案的描述和相关附图中公开了本专利技术的各方面。术语“本专利技术的实施方案”并不要求本专利技术的所有实施方案都包括所论述的特征、优点、过程或工作模式，并且在不脱离本专利技术的范围的情况下可以设计替代实施方案。此外，可以不详细描述或者可以省略本专利技术的公知要素，以免混淆其它更相关的细节。此外，术语“至少部分地”旨在解释为“部分地、基本上或完全地”。
[0020]本文关于本专利技术的任何实施方案描述的任何数值范围都旨在不仅限定相关数值范围的上限和下限，而且还隐含地公开了所述范围内的每个离散值，其单位或增量与表征上限和下限的精度水平一致。例如，7nm至20nm的数值距离范围(即，以1为单位或以1为增量的精度水平)包含(以nm为单位)[7、8、9、10、
……
、19、20]的集合，就如同明确地公开了以1为单位或以1为增量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造电池单元组件的方法，所述电池单元组件包括第一电极、第二电极和分隔器，所述方法包含：(A1)提供包含金属氧化物纤维、金属氢氧化物纤维或金属羟基氧化物纤维的分散体和溶剂组合物；(A2)将所述分散体直接涂覆在所述第一电极的卷上，以在所述第一电极上形成所述分隔器的第一层；(A3)提供所述第二电极；和(A4)组装所述第一电极和所述第二电极，其中所述分隔器位于所述第一电极和所述二电极之间；其中：所述分隔器的厚度范围在约0.5μm至约10μm之间；和所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维的特征在于直径在约3nm至约2μm的范围内以及长径比在约20至约100,000的范围内。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含：在约40℃至约200℃的温度范围内热处理至少所述第一层。3.根据权利要求1所述的方法，其中：(A3)包含将所述分散体直接涂覆在所述第二电极的卷上以形成所述分隔器的第二层。4.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分隔器不包含任何独立的分隔器层。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维、或所述金属羟基氧化物纤维包含约2原子％至约40原子％的铝(Al)。6.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分隔器另外包含在约0.1重量％至约50重量％范围内的聚合物。7.根据权利要求6所述的方法，其中：所述聚合物包含在约70℃至约120℃范围内熔化的热塑性塑料。8.根据权利要求6所述的方法，其中：所述聚合物包含聚合物粘合剂。9.根据权利要求1所述的方法，其中：所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维中的至少一些通过烧结或化学键相互结合。10.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分隔器的孔隙率在约25体积％至约80体积％的范围内。11.根据权利要求1所述的方法，其中：所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维的总孔体积在约0.1cm3/g至约1cm3/g的范围内。12.根据权利要求1所述的方法，其中：所述第一电极是阳极电极；并且其中所述阳极电极包含约3重量％至约70重量％的硅(Si)。13.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述溶剂组合物包含以下一种或多种：水、醇、乙二醇、乙二醇醚、醚、N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、甲基乙基酮(MEK)、六甲基磷酰胺、环戊酮、乙腈，四亚甲基亚砜、ε
‑
己内酯。14.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分散体的涂覆是通过喷涂、狭缝模头涂覆、凹面涂、浸涂、辊涂和/或刀口涂进行的。15.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分隔器表现出在约0.1mm至约3cm范围内的最小弯曲半径。16.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分隔器表现出在约1MPa至约1000MPa范围内的拉伸强度。17.根据权利要求1所述的方法，其中：所述分隔器表现出在约10nm至约1μm范围内的孔排阻大小。18.根据权利要求1所述的方法，其中：在所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维上沉积官能表面涂层，所述官能表面涂层表现出约0.3nm至约30nm范围内的表面层厚度，所述官能表面涂层包含聚合物、碳、电介质和/或不同的陶瓷材料。19.根据权利要求1所述的方法，其中：所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维是通过醇盐前体纤维的转化来生产的。20.根据权利要求1所述的方法，其中：所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维包含(1)具有第一直径子范围内的第一平均直径和第一平均长径比的第一组所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维和(2)具有第二直径子范围内的第二平均直径和第二平均长径比的第二组所述金属氧化物纤维、所述金属氢氧化物纤维或所述金属羟基氧化物纤维。21.根据权利要求20所述的方法，其中：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖尔普，
申请(专利权)人：新罗纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：