[发明专利]具有含陶瓷的分隔器层的分隔器

说明书

本申请的实施例涉及具有含陶瓷的分隔器层的分隔器。所述含陶瓷的分隔器层包含多孔的金属氧化物纤维，金属氧化物纤维的直径在约3nm至约2μm的范围内，长径比在约20至约100,000的范围内，并且所述多孔金属氧化物纤维之间的总开孔体积在约0.01cmsupgt;3/supgt;/g至约1cmsupgt;3/supgt;/g的范围内。

根据35 U.S.C.§119要求优先权

本专利申请要求2017年12月22日提交的题为“具有分隔电极用柔性陶瓷层的可靠能量存储装置”的美国临时申请No.62/609,796的权益，所述临时申请的全部内容通过引用明确地并入本文。

领域

本公开的实施方案通常涉及具有含陶瓷的分隔器层的分隔器的设计和制造及其在电化学能量存储装置和其它应用中的用途，以及包括具有含陶瓷的分隔器层的分隔器的改良能量存储装置的设计和制造。

背景技术

背景

部分地由于其相对高的能量密度、相对高的比能量、重量轻和潜在的长寿命，高级可再充电电池对于广泛的消费电子设备、电动车辆、电网存储和其它重要应用是理想的。然而，尽管这些电化学能量存储装置在商业上日益普及，但仍需要进一步的发展，特别是对于在低排放或零排放、混合电动车辆或全电动车辆、消费电子设备、节能货船和机车、航空航天应用和电网中的潜在应用。特别地，对于多种电化学电容器和可再充电电池，如可再充电金属和金属离子电池(如可再充电锂电池和锂离子电池、可再充电钠电池和钠离子电池、可再充电镁电池和镁离子电池、可再充电钾电池和钾离子电池等)、可再充电碱性电池、可再充电金属氢化物电池、可再充电铅酸电池、其它可再充电水性电池、双层电容器、混合超级电容器和其它装置，期望在安全性、能量密度、比能量、功率密度、比功率、循环稳定性和使用寿命方面有进一步改善。此外，对于多种原电池以及在低温(例如，低于-20℃)或高温(例如，高于60℃，如用于钻井应用或特殊应用的电池，如热电池)下运行的原电池和可再充电电池，期望在能量密度、比能量、功率密度、比功率和使用寿命方面有所改善。

用于许多这些原电池和可再充电的电化学能量存储装置(如锂离子(Li-离子)电池、多种水性电池和电化学电容器)的隔膜通常由多孔聚合材料制成。这些隔膜需要电性地隔离电池单元中的阳极和阴极，以防止自放电，同时允许电解质离子在这些电极之间传输。用于制造这样的隔膜的聚合材料的已知实例包括烯烃(如聚丙烯或聚乙烯)、纤维素、芳族聚酰胺、尼龙、聚四氟乙烯等。在给定的隔膜应用中，聚合物的选择可以取决于其在装置制造和运行期间与电极(阳极和阴极)和电解质两者接触时的电化学和化学稳定性、所选电解质的润湿性、价格合理性、孔隙率和孔曲折度、机械性能、热特性以及其它因素。在能量存储装置中，这样的隔膜的典型厚度范围为从小至6微米到大至50微米。非常薄的聚合物膜使用起来不安全，而非常厚的膜通常将能量存储装置的能量密度和比能量以及功率密度和比功率降低到不期望的水平。在某些常规Li离子电池中使用的隔膜的情况下，这样的聚合物膜的典型孔隙率在约30％至约50％的范围内，其中最典型的为约40％。尽管可以大量生产基于聚合物的隔膜，而且其又薄又柔软，但其受到多种限制，如有限的热稳定性、有限的强度和韧性(特别是如果制造得足够薄)、抗枝晶渗透性差、一些电解质的润湿性差、有限的电解质渗透性等。当能量存储装置达到其极限时，例如当这样的装置需要更快的充电、在更高的温度和更高的应力下更好的稳定性、更长的循环稳定性以及更长的使用寿命时，这些限制变得特别成问题。

因此，仍然需要改进的隔膜和改进的电化学能量存储装置，其中电极是电性分隔和离子耦合的。另外，仍然需要改进的材料和改进的制造工艺。

发明内容

本文公开的实施方案通过提供改进的电池、组分以及其它相关材料和制造工艺来解决上述需求。