[发明专利]含锂电化学电池的隔膜及其制备方法

说明书

本文提供了一种含锂电化学电池的多孔隔膜。多孔隔膜包括多孔基材和包括锂离子交换的沸石颗粒的活化层。本文还提供了多孔隔膜的制造方法和包括多孔隔膜的含锂电化学电池的制造方法。

引言

本发明一般涉及含锂电化学电池，更具体地涉及含锂电化学电池的隔膜和制造这种隔膜的方法。

电化学电池，如电池，是通过电化学氧化还原(redox)反应的方法将化学能转化为电能的设备。在二次电池或可充电电池中，这些电化学反应是可逆的，从而允许电池经历多次充放电的循环。

高能量密度的电化学电池，如锂离子电池，可用于各种消费产品和车辆，如混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)。典型的锂离子电池，锂硫电池和锂金属电池包括第一电极，第二电极，电解质材料和隔膜。一个电极用作正极或阴极，另一个电极用作负极或阳极。可以电连接一堆电池单元来增加总输出。通过在负极和正极之间来回可逆地传递锂离子，传统的可充电锂离子电池得以运行。隔膜和电解质设置在正负极之间。电解质适合于传导锂离子，并且可以是固体(例如，固态扩散)或液体的形式。负极和正极中的每一个通常承载或连接在金属集电器上，例如，以电极材料薄层的形式。集电器可以通过可中断的外部电路彼此连接，电子可以通过该外部电路从一个电极传递到另一个电极，而锂离子在电池的充放电期间以相反的方向迁移通过电化学电池。

锂离子电池可以根据需要可逆地向相关的负载设备供电。更具体地，可以通过锂离子电池向负载设备供应电力，直到彻底耗尽负极的锂含量。然后可以通过在电极之间沿相反方向传递合适的直流电来对电池进行再充电。

在放电期间，负极可以含有相对高浓度的插入锂，其被氧化成锂离子和电子。锂离子从负极(阳极)到达正极(阴极)，例如，通过插入多孔隔膜孔隙内包含的离子导电电解质溶液。同时，电子从负极通过外部电路到达正极。锂离子可以通过电化学还原反应被同化到正极材料中。电池可以在外部电源部分或完全放掉其可用容量之后再充电，这反转了放电期间发生的电化学反应。

在再充电期间，正极中的插入锂被氧化成锂离子和电子。锂离子经由电解质通过多孔隔膜从正极到达负极，而电子通过外部电路到达负极。锂阳离子在负极处被还原为元素锂并储存在负极材料中以便再利用。

发明内容

本部分提供了对本发明的总体概述，并未全面公开其全部范围或其所有特征。

在某些方面，本发明提供了一种制造含锂电化学电池多孔隔膜的方法。该方法可包括用Li⁺离子对前体沸石颗粒进行离子交换以形成锂离子交换的沸石颗粒。该前体沸石颗粒可包括一种或多种以下阳离子：H⁺、NH₄⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca⁺。该锂离子交换的沸石颗粒可具有：(i)小于或等于约1nm的平均孔径；和(ii)小于或等于约20μm的平均粒径。该方法还可包括制备包含锂离子交换的沸石颗粒和聚合物粘合剂材料的浆料，以及在多孔基材的第一侧，第二侧或第一侧和第二侧两者上沉积浆料层。该方法还可包括干燥该浆料以在多孔基材的第一侧，第二侧或第一侧和第二侧两者上形成活性层。该活化层可以具有小于或等于约20μm的厚度。

该锂离子交换的沸石颗粒可具有下列中的一个或多个：(i)约0.01nm至约1nm的平均孔径；(ii)约10nm至约20μm的平均粒径；和(iii)约10至约50的SiO₂∶Al₂O₃的比。该活化层可以具有约50nm至约20μm的厚度。

该锂离子交换的沸石颗粒可具有由8元环、9元环、10元环、12元环或其组合所限定的孔开口。

该锂离子交换的沸石颗粒可包括具有选自NAT、EDI、THO、ANA、YUG、GOO、MON、HEU、STI、BRE、FAU、MFI、LTL、LTA及其组合的骨架类型的沸石材料。