[发明专利]用于宽温操作的可充电锂电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月7日提交的美国临时专利申请61/607,804的优先权和权益，并且通过参考将所述美国临时专利申请的全文并入本文中。

技术领域

本发明大体来说涉及可充电电池和制造方法。更具体地，在特定实施方式中，本发明涉及具有高能量密度并且在宽温范围内操作安全的锂电池。

背景技术

随着全球对技术产品例如笔记本电脑、手机和其它消费电子产品的需求在逐步增加，近年来对可充电电池的使用也在大幅增加。当前发展绿色技术例如电网负荷均衡装置和电动车辆的工作已经进一步激起对具有高能量密度的可充电电池的需求。

一种常见类型的可充电电池为锂离子电池。与其它类型的可充电电池相比，锂离子电池提供高能量密度、当不使用时损失最少量的电荷并且不显示记忆效应。由于这些有益的性质，所以锂离子电池已经应用于运输、备份存储、防御和航空航天应用中。

常规锂离子可充电电池已经采用与有机溶剂(例如碳酸烷基酯)混合的液体电解质例如锂盐电解质(例如LiPF₆、LiBF₄或LiClO₄)。因为电池会放电以产生电子，所以电解质通过外电路为电极之间的离子流和电极之间的电子流提供介质。

遗憾的是，现有可充电电池(例如锂离子电池)不能在感兴趣的宽温范围内安全操作。现有可充电电池的能量密度对于许多应用也是不充足的。

当与现有可充电电池例如锂离子电池相比时，需要提供高能量密度和在宽温范围内操作安全的可充电电池。

发明内容

此处提供一种可充电锂离子电池，其允许宽温范围的操作并且提供高能量密度。在特定实施方式中，所述电池包括阴极、液体电解质、固体电解质和阳极。所述阳极至少部分涂有或(至少部分)镀有固体电解质。所述阴极可为多孔的并且由液体电解质浸润。

根据多个实施方式，所述电池具有双层电解质设计，其涉及相互不混溶的两层，即固体层和液体层。将所述电池的所述层构造成使得从一个电极传输至另一电极的锂离子需要连续通过两种不同的电解质。

在特定实施方式中，所述电池包括在锂金属阳极上的固体共聚物涂层。所述固体共聚物涂层有利地防止在阳极上形成树枝状晶体(dendrite)，从而改进循环寿命。该固体共聚物涂层也将阳极与离子液体隔离开，从而在高温下提供安全操作。所述电池的特定实施方式还包含电解质，所述电解质包含提供改进的低温电池性能的聚合物离子液体(PIL)。使用具有固体共聚物涂覆的锂金属阳极以及含PIL的电解质凝胶的电池提供协同效益，例如，能量密度是具有类似尺寸锂离子阳极的电池所实现的能量密度的二到三倍高，以及在宽温范围内可安全操作。此外，在特定实施方式中，电池的所述层的性质使得制造较简单，例如可卷对卷印刷整个电池。

在特定实施方式中，所述阴极还可以包含具有固体接枝共聚物电解质(GCE)的粘结剂。在特定实施方式中，所述液体电解质是包含聚合物离子液体(PIL)和GCE的凝胶。

一方面，本发明涉及一种可充电锂电池。所述电池包括阴极、液体电解质和阳极。所述阳极至少部分涂有或镀有固体电解质。在特定实施方式中，使阴极和阳极相对于彼此以如下方式放置，即，使从一个电极传输至另一电极的锂离子连续通过液体电解质和固体电解质。

在特定实施方式中，所述液体电解质包含选自离子液体、有机碳酸酯液体、液体聚合物和凝胶电解质中的至少一种，所述固体电解质包含选自固体聚合物、陶瓷和聚合物-陶瓷复合材料中的至少一种。

在特定实施方式中，所述固体电解质包含固体共聚物。在特定实施方式中，所述固体共聚物是固体接枝共聚物电解质(GCE)，其包含至少两种低玻璃化转变温度(T_g)的聚合物嵌段{例如，疏水性嵌段例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和亲水性嵌段例如聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(POEM)或聚氧乙烯丙烯酸酯(POEA)；例如，T_g低于约0℃、低于约-25℃或低于约-40℃}。