具有电解质-嵌入隔离颗粒的锂离子电池制造技术

本发明专利技术涉及具有电解质嵌入-隔离颗粒的锂离子电池。本文描述了锂离子电池，其中非导电的陶瓷颗粒置于阳极和阴极之间以形成它们之间的隔离并防止短路。该颗粒，优选地为等轴或单分散的，可以大致均匀地分散在非水胶凝的或高粘度的电解质中。该电解质可以以合适厚度施加到该阳极和阴极之一或两者，以所述颗粒与电解质并形成层状的复合物，该复合物具有基本均匀间隔的颗粒，所述颗粒适于使相对的阳极和阴极表面保持间隔开。选择待涂覆的电解质层的厚度以使颗粒基本以一部分单层，单层或多层形式沉积成为可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在非水离子电解质中使用陶瓷颗粒以防止锂离子电池组(battery)的电池(cell)的相对电极层(facing electrode layers)之间的内部短路的方法。
技术介绍
锂离子二次电池组由于其高的能量-重量比、缺乏记忆效应以及在不使用时慢的自放电，普遍用于便携式消费电子产品。可充电的锂离子电池组也被设计和制造以用于汽车应用中，为电动机提供能量以驱动车轮。锂离子电池组的基本单元是单个电池，其包括间隔开的相对的阳极和阴极，以及 在它们之间的适于传递和输送锂离子的非水液体电解质。通过将任意适量的这些电池并联、串联或串并联组合布置以开发出具有合适电压和容量的电池组，可以制造出不同尺寸、形状和电容量的锂离子电池组。在电池放电期间，典型的锂离子电池是通过氧化嵌入在包含石墨的负极材料(阳极)中的元素锂，并通过合适的电解质将锂离子从负极输送到接收锂离子的正极材料(阴极)而工作。在锂离子流动的同时，来自负极的电子流动通过外部电路和耗电装置，到达正极来为外部装置供能。在电池充电的过程中，锂离子流在外加的电势下反向运动，使锂离子返回到阳极，锂离子在此被还原为元素锂，并且理想地，元素锂再次嵌入电极材料的碳组分中。然而在实际应用中，再次嵌入的锂少于100%，导致在连续的循环过程中，锂和含锂的反应化合物在阳极表面上不断累积。在某些条件下，该表面锂的沉积会导致形成从阳极的表面朝向阴极延伸的枝状晶体(dendrites)和突起(protrusions)。为了防止会造成内部短路的阳极极和阴极之间的物理接触(电子传导接触)，通常的做法是在电池组装过程中在正极和负极之间设置隔离物(s印arator)。隔离物通常为包含有微孔的聚烯烃片或膜，该微孔从一个表面延伸到另一表面。这些对于在充放电过程中为锂离子的可逆传送提供连续的电解质通道为必需的孔，需要使聚合物片经历特殊化的工艺和步骤，使这些锂离子电池的制造复杂化，并造成了对锂离子运动的障碍，其减少了可以达到的最大电流。这些聚合物片，特别在是电池的工作温度高于室温或者在约25摄氏度时，对于物理刺穿(physical penetration)具有有限的抗性。这种刺穿的产生可能是上述在阳极表面上的锂突起的积累造成的，也可能是在由电池制造过程中产生并引入电池中的金属细粒而造成的。当这些导电材料刺穿聚合物隔离片并桥接了阴极-阳极间隙时，造成短路。大电流、高温短路导致进一步损毁隔离物，最终使得阳极和阴极的部分能够面对面地接触，从而导致大范围的短路(extensive short circuiting)和快速的电池失效。因此，需要一种将锂离子电池中的内部短路最小化的简单、更持久的装置。
技术实现思路
锂离子电池组通常包括电池堆叠体(cell stack)，该电池堆叠体由多个面对面布置且与电解质共同接触的阳极和阴极组成，但是它们通过其间设置的隔离物彼此保持间隔开及避免电接触。在本专利技术的实践中，这些电极由许多颗粒保持隔开，这些颗粒具有2-30微米的特征尺寸，设置在阳极和阴极表面之间并接触阳极和阴极的表面。阳极和阴极之间的间隔基本上由颗粒的特征尺寸来确定，但是也可能受电极表面的表面粗糙度影响。优选的是使用尽可能低的颗粒浓度，从而使得颗粒不会阻碍离子进入电极的通道，这种现象称之为“屏蔽(shadowing) ”。如果电极和其箔集流支撑体(foil current collectorsupport)的硬度足以防止电极在没有由颗粒直接支撑的区域变形，单层或更少的颗粒覆盖可足以确保隔离。通常阳极为沉积在铜箔集流体上的薄碳质层，阴极为敷设于铝集流体上的锂基活性材料。合适的阴极材料尤其包括层状的或尖晶石状的锂过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐材料，这些材料都可以承受锂的嵌入和脱嵌(deintercalation)。单个的阳极-隔离物-阴极组合可以只有100微米厚，由于此小厚度，可以通过以螺旋状卷绕电极来制造电池堆叠体。圆柱或棱柱形电池都可以采用这种方式制造。层状电池结构也可通过使用堆叠的单个电极片或采用W-折形或Z-折形结构而利用，在这些折形结构中，一个电极与其它的电极在所述折形中交插(interleaved)。在所有的这些制造工艺中，适度压力，一般小于约I·个大气压或约15磅/平方英寸(psi)，可以被施加到电极上，并且只有设置在相对的电极表面之间的隔离物存在时，才能避免电极与电极之间的接触及导致的短路。本专利技术的一个目的在于，通过将多个非导电颗粒置于阳极和阴极的相对表面之间，从而保持锂离子电池中电极的间隔配置。颗粒用作机械支撑体(mechanical supports)或者用作负载间隔体(load bearing spacers),用于将相对的电极表面保持以预定的距离间隔开。优选的是所述颗粒作为单层的至少一部分基本均匀分布，以在颗粒之间形成一系列通常均勻尺寸的非支撑跨接(unsupported spans)。在某些应用中，可以优选的是单层负载或甚至多个重叠的颗粒层。颗粒浓度可以预先确定，以确保在制造或在使用负载(in-service loads)情况下时,颗粒之间的非支撑跨接不会凹陷(sag)到导致面对面的电极接触和大范围短路的程度。所述颗粒可以是大致球形的，或者等轴粉末颗粒(equiaxed powder particle),或者是一般的圆柱形式，例如短切纤维，或者甚至是线性的、适当分支的结构。每个颗粒可以用以下特征尺寸来表征对于球形是颗粒直径；对于等轴颗粒是最小平均尺寸；对于圆柱形是直径；对于分枝结构是围绕其的凹形外围(concave envelope)的侧边(sides)之间的最短间隔。特征尺寸的量值，范围为2-30微米，将基本上确定阳极-阴极间距。所述颗粒的尺寸经选择以适应电极表面的粗糙度。尤其，颗粒尺寸应当至少大于对于两个电极的最大剖面高度(profile heights)之和，即峰顶到谷底的最大高度，以确保电极不会接触。所述颗粒可以是氧化物，例如Ti02、Al203、Si02、Mg0和CaO，或者氮化物如立方氮化硼，或者碳化物例如碳化硅，或者这些颗粒的混合物。优选的是使基本平坦的电极表面在电极的整个相对面积上保持一致的距离间隔，因此所述颗粒应具有基本类似的尺寸。可以优选的是单分散的球形颗粒，例如Si02、TiO2, ZrO2和Ta2O5，其通过在稀的醇溶液中金属醇盐的可控水解来制备，它们将建立起一致的阳极到阴极的距离，无论它们在所述表面上的取向。已制备的这些颗粒的直径典型地为从约0. 5到I. 0微米，但有些颗粒直径达到6微米。为了电极之间良好的导电性，优选的是这些颗粒是非接触且间隔开以更好地容纳非水电解质，以及使电极屏蔽效应最小化，但是也可以使用接触的甚至重叠的颗粒阵列。为了进一步提高离子导电性，这些颗粒可以是多孔的。用以形成具有合适大的孔的颗粒的途径，可以是使用胶体模板或者部分烧结前述的单分散颗粒从而在相邻的颗粒之间形成颈部(neck)，但是保留大部分的孔隙。部分烧结的致密物然后可以再进行粉碎和定尺寸。贯穿颗粒(through-particle)的孔隙可以使形成额外的离子传导通道成为可能,并可以提高导电率，从而电解质中可以容纳更高体积分数的隔离颗粒，而不会损坏电池的电流传输能力。对本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂离子电池组，其包含具有表面的阳极和具有表面的阴极，所述阳极表面和所述阴极表面仅通过多个基本均匀分布的非导电陶瓷颗粒保持相对间隔开，所述颗粒具有在2到30微米之间的特征尺寸并作为在所述阳极表面和所述阴极表面之间的单层的至少一部分布置；所述颗粒特征尺寸基本上增强了阳极?阴极隔离的程度；并且，所述间隔开的阳极表面和阴极表面限定了在它们之间的与所述颗粒、所述阳极和所述阴极离子接触的非水锂传导电解质。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：I·C·哈拉莱，S·W·乔尔根森，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：