[发明专利]制造锂离子电池隔板的方法

说明书

技术领域

本公开的技术领域大致涉及二次锂离子电池(secondary lithium ion battery)的隔板，更具体涉及通过相分离法形成的隔板。在相分离法中使用小的疏水处理的陶瓷颗粒有助于形成横跨所得隔板的厚度的弯曲的互连孔隙网络。在锂离子电池的电化学电池组电池(electrochemical battery cell)中，隔板位于正极和负极的相对内面表面(inner face surfaces)之间并浸透可传送锂离子的液体电解质溶液。

背景

二次(即可充电)锂离子电池已作为电源用于多种固定和便携用途。它们的结构和电化学反应机制为它们提供若干合意特性，包括相对较高的能量密度、相对较低的内电阻、与其它类型的可充电电池，例如镍-镉电池相比时通常不出现任何记忆效应，和低自放电率。这些特性使锂离子电池成为便携消费电子产品，如手提电脑和手机的优选移动电源。汽车工业还设计和制造了与许多互连系统相互作用的更大规模形式，以努力改进车辆燃料效率和降低大气污染。混合动力电动车(HEV)和增程式电动车(EREV)的动力系例如依赖于锂离子电池和以烃为燃料的内燃机的合作努力以产生用于车辆推进的转矩。

锂离子电池通常含有一个或多个包括负极、正极和夹在电极的相对内面表面之间的多孔聚合隔板的电化学电池组电池。负极通常包括在相对较低的电化学电势(相对于锂金属参比电极)下储存嵌入锂的锂基质材料(lithium host material)。正极通常包括在比锂基质材料高的电化学电势(相对于相同的锂金属参比电极)下储存嵌入锂的锂基活性材料。相邻多孔隔板包括密切接触电极的相对内面表面的相反主表面。隔板的主要功能是在负极和正极之间提供多孔和电绝缘的机械支承屏障以防止电池中的短路。负极、正极和隔板各自被可传送锂离子的液体电解质溶液润湿。该液体电解质溶液通常是溶解在非水液体溶剂中的锂盐。

可中断的外电路电连接负极和正极以在隔板周围提供电流路径以电化学平衡锂离子的迁移。与各电极密切相关的金属集流体根据电化学电池组电池的工作状态向和从外电路供应和分配电子。外电路可通过常规电子连接器和相关电路耦合至电力负荷(在放电过程中)或来自外部电源的外加电压(在充电过程中)。在电池放电过程中在各电化学电池组电池中通常实现大约2.5V至4.3V的电压。如果必要，通过将合适数量的类似电化学电池组电池连接在一起——电池的负极和正极串联或并联至相应的共接头，可以实现更大的总电池电力水平。旨在用于车辆动力系的现有锂离子电池通常包括10至150个独立的电化学电池组电池。这些锂离子电池中的几个可进一步串联或并联并包装在一起以形成实现所需总电压和电流容量的锂离子电池组。

传统上，多孔聚合隔板包含(composed of)聚烯烃，如聚乙烯和/或聚丙烯。已开发用于制造具有其预期孔隙率的聚烯烃隔板的许多制造方法。可通过干法形成隔板，其中将聚烯烃聚合物熔融，挤出成薄膜，退火，然后单轴拉伸。退火和拉伸阶段产生和细化遍布所得隔板的本体内部的紧密有序孔隙。也可以通过湿法形成隔板，其中将聚烯烃聚合物与烃或其它低分子量液体物质混合。然后将该混合物加热、熔融并形成薄膜。此后，萃取烃或其它低分子量液体物质。烃或其它低分子量液体物质的萃取引发所得隔板内的孔隙形成。如果需要，可通过隔板的拉伸或牵拉实现孔隙的进一步细化。

但寿命和性能下降是包括聚烯烃隔板的电化学电池组电池的问题。电化学电池暴露在100℃和更高温度下会造成聚烯烃隔板收缩，软化并在温度接近130℃时甚至熔化。这种高温可归因于充电阶段的生热、周围大气温度或一些其它来源。温度引发的聚烯烃隔板的物理变形可能最终造成负极和正极之间的直接电接触并造成电化学电池短路。如果电极在显著程度上相互直接电接触，也可能发生电池热散逸(battery thermal runaway)。

已研究表现出比聚丙烯和聚乙烯更好的热稳定性的各种工程聚合物作为锂离子电池隔板的候选物。但常用于聚烯烃隔板的隔板制造方法通常不能为这些类型的聚合物提供横跨它们厚度的充足孔隙率。隔板的孔隙率不是可忽视的物理性质，因为其影响电化学电池组电池的性能和寿命。孔隙率不足的隔板阻碍锂离子在电极之间的迁移，而孔隙率太大的隔板易发生来自负极的锂枝晶跨接。因此需要由各种工程聚合物可靠制造具有遍布隔板同延(coextensively)限定的均匀、弯曲的孔隙互连网络的热稳定聚合物隔板的制造方法。

公开概述