具有无机／有机多孔膜的电池制造技术

一种电化学电池例如Ｌｉ离子电池，具有（ａ）正电极；（ｂ）负电极；（ｃ）介于所述正电极和负电极之间的多孔无机／有机复合层；以及（ｄ）含有锂盐和非水性溶剂的电解质。所述复合层包括无机纳米颗粒和粘合剂从而形成纳米复合分隔体（ＮＣＳ）。除所述复合层外，该电化学电池还包括多孔分隔体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有无机/有机多孔膜的电池交叉引用本申请是2007年9月28日提交的美国临时申请No. 60/995，777的非临时申请。 专利
本专利技术总体上涉及电化学电池。更具体地，本专利技术涉及蓄电池和用于电化学蓄电 池的分隔体结构。
技术介绍
隔膜是电池的重要组件。这些膜用于防止电池的阳极和阴极接触并同时允许电解 质从中穿过。另外，电池性能属性例如循环寿命和功率可显著地受分隔体选择的影响。分 隔体属性还可能涉及安全性，并且已知某些分隔体会减少L i金属镀覆在阳极处的发生和 甚至减少枝晶形成。蓄电池的隔膜在一些情形中由多孔聚合物材料体形成。在其它情形中，隔膜由纤 维或颗粒材料体形成，这些材料可包括玻璃纤维、矿物纤维如石棉、陶瓷、合成聚合物纤维 以及天然聚合物纤维如纤维素。目前使用的隔膜存在许多问题。这些膜材料通常昂贵，并且如果典型的电池系统 包括相对大体积的膜，则膜的成本会是总电池成本的显著部分。低成本电池隔膜材料在防止枝晶桥接方面可能是低效的，因此必须以相对厚的厚 度进行制造。然而，这种厚度增加了电池的内阻，从而降低其效率，还增加了电池尺寸。因此，存在对高效、低成本、安全且易于使用的分隔体结构的需要。目前，用于锂离 子电池的分隔体是昂贵的，平均 2. 00美元/平方米，其是高能量电池成本的约11%以及 是高功率电池成本的 23%。为进一步降低锂离子电池的成本，需要开发廉价的分隔体。本专利技术示例实施方案的概述描述了用于电化学电池的有机/无机复合膜和多孔或无孔分隔体的组合。这种膜 是无机颗粒和聚合物粘合剂的复合物。该复合材料成本低并且另外起到提供高性能隔膜构 件的功能，所述隔膜构件对电极具有优异的附着性并且改善安全性以及在高温下具有高的 尺寸稳定性。该电极/膜组合件在层之间表现出优异的附着性并且甚至在被卷绕、弯曲、折 曲或以其它方式变形时不从其基材(集流体)剥离。另外，多孔分隔体被布置成邻近该复 合膜从而有利于电池组装。在一方面，电化学电池例如锂离子电池具有正电极、负电极、介于所述正电极和负 电极之间的多孔无机/有机复合层、以及包含锂盐和非水性溶剂的电解质。所述复合层包 括无机纳米颗粒和粘合剂从而形成纳米复合分隔体(NCS)。除该复合层外，电化学电池还包 括在两个NCS涂覆电极之间的多孔或无孔分隔体。在另一个方面，提供了用于电化学电池的电极/分隔体组合件。该组合件包括集 流体；和附着到该集流体的多孔复合电极。该电极至少包括电活性颗粒和粘合剂。所述组合 件还包括多孔复合层，该多孔复合层包含基本上均勻分布在聚合物基质中从而形成纳米孔 隙的无机颗粒，其中该复合层通过在这两个层之间界面处的溶剂粘接部(weld)被固定到电极层。所述粘接部包括所述粘合剂和所述聚合物的混合物。多孔或无孔分隔体位于NCS涂覆电极之间。在一个实施方案中，该复合膜包含电化学稳定的无机颗粒，该无机颗粒在电化学 稳定的聚合物基质中具有小于ι μ m的颗粒尺寸，并且具有至少双峰孔隙分布，其中首先的 较小尺寸的孔隙基本上均勻分布在层中，一种或多种较大的孔隙尺寸无规分布在层中。所 述孔隙的尺寸为纳米级。在一个实施方案中，首先的较小的孔隙尺寸为约5-lOOnm，较大的孔隙尺寸为约 100-500nm。颗粒基本上呈单分散并且具有约10-50nm的颗粒尺寸。复合层具有大于25% 的孔体积分数。在一个实施方案中，粘合剂是无机/有机复合组合物的5 % -60 %。复合层可以具 有无机颗粒和聚合物粘合剂，无机颗粒聚合物的重量比为约95 5至约40 60。在一个实施方案中，膜的无机材料选自二氧化硅、氧化铝、氧化钛、天然和合成的 沸石、以及其它的合适颗粒尺寸的电化学稳定无机颗粒。在一个实施方案中，多孔分隔体为孔隙直径大于50-100人的微孔聚烯烃分隔 体，并且包含聚丙烯、聚乙烯或它们的叠层体中至少一种的膜。在一个实施方案中，分隔体包含聚环氧乙烷。在一个实施方案中，多孔分隔体是由通过摩擦(friction)、聚结和粘附中的至少 一种结合在一起的纤维制成的非织造织物材料。多孔分隔体可以具有约9 μ m-15 μ m的厚 度，且复合膜可以具有约2 μ m-16 μ m的厚度。在另一方面，提供了用于电化学电池的分隔体结构，该分隔体结构包括布置在一 个或两个电极上的复合层。所述复合层包括在聚合物基质中具有约IOnm至约200nm颗粒 尺寸的陶瓷颗粒。这些颗粒的直径可典型地低于1微米且更典型地为15-30nm。在一些实 施方案中，所述层具有至少双峰孔隙分布，其中首先的较小尺寸的孔隙基本上均勻分布在 层中，一种或多种较大的孔隙尺寸无规分布在层中，其中两种孔隙的尺寸均为纳米级。多孔 分隔体位于复合层和电极之间。在另一方面，提供了制备用于电化学电池的电极/分隔体组合件的方法。该方法 包括提供至少包含电活性颗粒和粘合剂的多孔复合电极层；以及提供涂覆溶液。该涂覆溶 液包括聚合物、用于该聚合物的溶剂系统、和分散在该溶剂中的无机颗粒，其中对溶剂系统 进行选择以便对电极层中的粘合剂具有至少一些溶解性。该方法还包括对电极层的表面涂 以涂覆溶液层。涂覆溶液渗入电极层的一部分厚度并且溶解一部分粘合剂。从涂覆溶液层 中除去溶剂以沉积多孔复合层。所述复合层包含基本上均勻分散在聚合物中的无机颗粒并 且具有至少25%的孔体积分数。在多孔电极层和多孔复合层之间的界面处形成溶剂粘接 部。邻近多孔复合层提供多孔或无孔分隔体。该方法一方面规定在涂覆溶液中无机颗粒和聚合物的重量比应为约65 35至约 45 55。所述涂覆溶液渗入至多90%的电极层厚度，并且可以通过选自喷涂、刮涂、狭缝模 涂覆、凹版式涂覆、喷墨印刷、旋涂、浸涂和丝网印刷的技术或其它技术进行涂覆。对电极表 面进行喷涂可以包括将多个涂覆溶液层喷涂到电极的表面上。根据本专利技术的另一方面，可 以在各个喷涂步骤之间干燥已涂覆的层。除去溶剂可以包括使溶剂蒸发和/或用对于聚合 物为非溶剂的材料提取溶剂。附图简述参照下列附图对本专利技术进行描述，所述附图仅出于说明目的而并不意欲限制本专利技术。附图说明图1是包括根据本专利技术一个或多个实施方案的多孔分隔体的电化学电池的示意 图。图2A是包括根据本专利技术一个或多个实施方案的多孔分隔体的电化学电池的示意 图。图2B是包括根据本专利技术一个或多个实施方案的多孔分隔体的电化学电池的示意 图。图3是根据本专利技术一个或多个实施方案的堆叠电化学电池的示意性横截面图。图4是用于一个或多个实施方案用以制备隔膜的喷涂方法的流程图。图5包括根据本专利技术特征的分隔体结构的显微照片。图6是表示根据本专利技术特征的测试电池和对比电池的温度图。图7是根据本专利技术特征的测试电池和对比电池的放电容量(mAh)相对于功率的曲 线图。图8是根据本专利技术特征的测试电池和对比电池的放电(mWh)相对于功率的曲线图。图9是根据本专利技术特征的测试电池和对比电池的放电容量(mAh)相对于循环数的 曲线图。图10是根据本专利技术特征的测试电池和对比电池的放电容量(mAh)相对于循环数 的曲线图。示例性实施方案详述无机/有机多孔膜可涂覆到电极上并且用作Li离子电池中的分隔体。由于它们显著降低电池成本并且改善电池安全性的潜力从而是所希望的。下列文献中描述了作为无机 填料和聚合物粘合剂的复合物的纳米复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｌｉ离子电化学电池，其包含（ａ）正电极；（ｂ）负电极，（ｃ）介于所述正电极和负电极之间的多孔无机和有机复合膜，以及（ｄ）含有锂盐和非水性溶剂的电解质，并且还包含（３）邻近所述复合膜的多孔或无孔的分隔体，其中所述复合膜包含无机纳米颗粒和粘合剂，其中复合膜与多孔或无孔分隔体的总厚度不大于２５μｍ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：GB莱斯，SJ巴比奈克，GN瑞雷，
申请(专利权)人：A一二三系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]