[发明专利]用于锂离子电池的整合式电极隔膜组件

说明书

本发明涉及整合式电极隔膜(IES)，以及它们在锂离子电池中作为独立式隔膜的替代物的用途。该IES产生于使用氟聚合物的基于水的乳液或悬浮液涂覆电极，并且干燥该涂层以产生在这些电极上的坚韧的、多孔的隔膜层。该水性氟聚合物涂层可任选地包含分散的无机颗粒以及其他添加剂以便改进电极性能，诸如较高的离子电导或较高的使用温度。该IES提供了几个优点，包括更薄、更均匀的隔膜层，以及对于更简单并且节约成本的制造方法消去了单独的电池部件(隔膜薄膜)。该水性隔膜涂层可以与溶剂流延电极以及水性流延电极或者在两个单独的处理步骤中或者在一步法中结合使用。

发明领域

本发明涉及整合式电极隔膜(IES)，以及它们在锂离子电池中作为用于独立式薄膜隔膜的代替物的用途。该IES产生于使用一种氟聚合物的基于水的乳液或悬浮液涂覆一个电极，并且干燥该涂层以产生在这些电极上的一个坚韧的、多孔隔膜层。该水性氟聚合物涂层可任选地包含分散的无机颗粒以及其他添加剂以便改进电极性能，诸如较高的使用温度或较高的离子电导率。该IES提供了几个优点，包括一个更薄、更均匀的隔膜层，以及对于一种更简单并且节约成本的制造方法消去了一个单独的电池部件(隔膜薄膜)。该水性隔膜涂层可以与一种溶剂流延电极以及一种水性流延电极或者在两个单独的处理步骤中或者在一步法中结合使用。

发明背景

发现锂电池，包括锂金属电池、锂离子电池、锂聚合物电池、以及锂离子聚合物电池由于驱动电压和比那些使用水性电解质的常规电池(如Ni-MH电池)更高的能量密度而找到了增加的用途。

锂离子电池以及锂离子聚合物电池由一个阴极堆叠、一个阳极堆叠、以及一个在该阳极与阴极中间的隔膜构成。该电池隔膜的功能是防止在正电极与负电极之间的电接触，而同时允许离子电荷载体的快速运输，需要这些离子电荷载体以完成用于通过电流的回路。在锂离子电池中使用的最常见类型的隔膜是微孔聚烯烃薄膜。不幸的是，聚烯烃薄膜隔膜具有几个缺点。它们不能被在电池中使用的常规电解质湿润，导致在该隔膜上未被适当地湿润的岛状物。一个更大的缺点是当电池温度接近那些聚烯烃材料的软化点(约130℃或更低)时导致的聚烯烃隔膜的收缩或熔化，产生在该电池内部短路的可能性，这可能导致火灾和爆炸。最后，在常规电池构造中的独立式隔膜是对于电池材料的第二最大百分比成本贡献者，为14％的电池成本(参考：Takeshita,H,LIB-相关的研究项目08-09)。

对于用于隔膜的聚烯烃的一种优异的替代物是聚偏二氟乙烯(PVDF)，其具有超过聚烯烃的湿润和耐高温特性。US 7,662,517描述了将一个PVDF/无机材料层涂覆到一种聚烯烃隔膜上以改进在升高的温度下的尺寸稳定性、可润湿性、以及柔性。尽管这些新的隔膜更有弹性，防止隔膜在升高的温度下的收缩是不可能的，由于基于聚烯烃隔膜仍然作为基底存在。

如在美国专利8147732中描述的，微孔薄膜已经从PVDF树脂制作。然而，这些PVDF薄膜的孔隙率与聚烯烃相比是低的并且成本是高的，尤其由于薄的、无缺陷的薄膜的制作已经证明是困难的，需要使用具有更高材料成本的更厚的薄膜。

希望的是找到对于现有独立式隔膜的替代物，该替代物还保持或改进当前设计的安全和性能。

US 20100330268描述了生产用于锂离子电池的隔膜，通过使用分散在一种聚合物基质(诸如PVDF)中的硅胶颗粒涂覆电极。这种方法使用有机溶剂以形成用于涂覆这些电极的一种聚合物溶液。这些溶液涂层干燥为一种无孔层。电流通过二氧化硅区域传输，这些区域可能或可能不形成一个连续的网络。再者，该电极层以及该隔膜层的形成必须在单独的步骤中进行。

US 2011/0217585描述了一种整合式复合隔膜，其中一种陶瓷聚合物浆料被直接地喷洒或涂覆到该电极上。在每个电极上的陶瓷层被一个聚合物层分开，该聚合物层可以是一种聚偏二氟乙烯均聚物或共聚物。将该聚合物溶解在一种有机溶剂中，并且该溶液将形成一种固体的、无孔的薄膜；并且因此该聚合物溶液必须或者作为纺丝纤维或涂覆线来施加以便提供在该聚合物之间的用于通过电解质和Li离子的空间。未提及水性聚合物分散体。