[发明专利]用于电化学电池的无机捕获剂混合物

说明书

一种电化学电池，例如锂离子电池组的二次电池，其包括具有作为阴极的活性材料的正极；具有作为阳极的活性材料的负极；非水性电解质；以及放置在正极和负极之间的隔件。所述隔件包括无机材料。该无机材料包括第一无机颗粒和一种或多种第二无机颗粒的混合物；其中所述无机材料吸收电化学电池中出现的水分、游离过渡金属离子或氟化氢(HF)中的一种或多种。一个或多个电池可在外壳中组合以形成锂离子二次电池组。

技术领域

本发明总体上涉及用于电化学电池(cell)特别是锂离子二次电池组(battery)的无机材料混合物。更具体地，本公开涉及使用无机捕获剂的混合物作为电化学电池中的隔件上的保护层或作为结合在隔件内的保护添加剂。

背景技术

本节中的陈述仅提供涉及本公开的背景信息，并不构成现有技术。

在运行中，电化学电池，例如用于锂离子电池组的二次电池，通常包括负极、非水性电解质、隔件、正极和用于每个电极的集流体。所有这些组件都密封在箱、围隔、袋、包、圆柱壳等(通常称为电池组的“外壳(housing)”)中。隔件通常是具有微米级孔的聚烯烃膜，其可防止正极和负极之间的物理接触，同时允许离子(例如锂离子)在电极之间来回传输。非水性电解质是诸如锂盐的金属盐的溶液，置于每个电极和隔件之间。

由于诸如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的聚烯烃膜很难被非水性电解质润湿，离子传输的阻抗增加，从而导致了较差的高倍率性能。更重要的是，在电化学电池(例如，锂离子电池组的二次电池)运行期间，聚烯烃膜可能会在较高的温度下发生收缩，从而增加短路的风险并最终可能导致火灾或爆炸的发生。此外，聚烯烃膜的柔软性允许枝晶(例如锂枝晶)的生长和渗透，这增加了安全隐患。提高膜的润湿性、减少膜在操作过程中的收缩以及限制或消除潜在的火灾或爆炸的能力是合乎需要的。

此外，用于构建和使用诸如在二次锂离子电池组中发现的电化学过程的常规高能量、高倍率和低成本的目标要求隔件相对较薄且能够以低成本制造。使隔件合乎常理地变得更薄的一种方式是并入无机颗粒。无机颗粒的若干个实例包括二氧化硅、氧化铝、氧化镁、二氧化钛、氧化锆、硅酸铝、硅酸钙、硅酸镁、碳酸钙、勃姆石、高岭土、沸石、氢氧化铝、氢氧化镁和钙钛矿。其中一些无机颗粒(例如填料)可能有助于强化聚合物膜、防止热收缩并改善电解质的润湿性。然而，这样的颗粒通常难以分散以形成均质的膜。可以加入分散剂和交联剂的使用以避免这种聚集问题。然而，这种分散剂和交联剂的使用将增加总体制造成本，并带来涉及使用电化学电池的额外的安全隐患。

最后，多种其他因素也可能导致锂离子电池组的退化。其中这些因素中的一些包括非水性电解质溶液中有害物质的出现。更具体地说，锂离子二次电池组可能会由于长时间暴露于水分(例如水)、氟化氢(HF)和/或溶解的过渡金属离子(TMⁿ⁺)而经历容量的降低。这些有害物质可能作为用于构建电池组的制造过程产生的残留物或作为其中使用的有机电解质的分解产物而出现。事实上，一旦20％或更多的原始可逆容量丢失或变得不可逆，锂离子二次电池组的寿命就会受到严重限制。延长锂离子二次电池组的可再充电容量和整体寿命的能力可以降低更换成本，并减少处理和回收的环境风险。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在将参考附图描述以实例的方式给出多种形式。每个附图中的组件不一定按比例绘制，而是重在说明本发明的原理。

图1A是根据本公开的教导形成的电化学电池的示意图，其中无机材料被应用于隔件上。

图1B是图1A的电化学电池的示意图，显示为根据本公开的教导形成的锂离子二次电池组，其中无机材料被应用于隔件上。

图2是包括第一无机颗粒和第二无机颗粒的随机分散体的无机材料的示意图。

图3A是根据本公开的教导形成的锂离子二次电池组的示意图，显示了包括两个图1B的二次电池的四个二次电池的层叠，以形成更大的混合电池。