[发明专利]具有无机/有机多孔膜的电池

说明书

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。

发明领域

本发明总体上涉及电化学电池。更具体地，本发明涉及蓄电池和 用于电化学蓄电池的分隔体结构。

发明背景

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。

本发明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 合层包含基本上均匀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1μm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匀分 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5-100nm，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10-50 nm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9μm-15μm的厚度，且复合膜可以具有约2μm -16μm的厚度。