[发明专利]用于低内阻锂离子电池的材料及该电池的制造方法

说明书

发明的背景

本发明涉及二次可充电电池，特别是具有聚合物组合物电极和电解质元件与导电集电极元件(通常为金属箔)相层压的层状结构的电池。更具体地说，本发明涉及包括网状集电极箔的电池，并提供一种降低这种电池的内阻系数的方法，所述内阻部分是由于在这种集电极箔表面上形成绝缘的金属氧化物造成的，并且也是由电解液浸湿电极/集电极箔的界面而产生的绝缘效果造成的。

适用于本发明的代表性的层压聚合物组合物电池结构公开在例如美国专利5,460,904和5,478,668中。这种电池包括各个锂嵌入化合物和碳的正极和负极聚合物基质电极组合物层，这两层层压在一起并层压在用于提供电气连接的主输出端的金属箔集电器(current collector)元件上。

正如工业上已知的那样，电池结构各个部件的电阻构成电池的总内阻，在任何实用线路中，特别在包括低阻抗组件的外部电路中，所述总内阻意味着非生产性负载和能量消耗。用于克服这种内阻所消耗的电能不仅直接降低电池的效率，还会在电池内部产生一定的热量，这种热量不仅对电池的工作产生有害影响，而且还不利于电池元件(即电极和电解质)的整体性。这种影响对所述层压锂离子可充电电池特别明显。

业已观察到氧化物是电阻的重要来源，这种氧化物容易形成于集电器箔(特别是铝)的表面上，如上述专利所述，这种集电器箔最好与电池的聚合物基质及锂嵌入化合物和碳电极组合物一起使用。在这些电池中加入活性电解液也会形成电阻，活性电解液会使电极元件溶胀和膨胀，并侵入电极和集电极表面之间的区域，从而影响保证这些元件具有良好导电性的牢固物理接触。

本发明提供一种基本消除在集电极元件上形成绝缘金属氧化物，并保持电极和集电极元件之间强物理导电连接完整性的有效方法，从而显著地减小工业上较好采用的锂离子嵌入电池的内阻。

发明的概述

在本发明实践中，用溶剂和浸蚀溶液对金属集电极元件(通常是铜和铝箔，最好是多孔网格状的)进行表面处理，除去在制造过程中形成的操作油和金属氧化物。随后在集电极箔表面涂覆一层保护性的、对金属具有粘性的不溶胀的聚合物组合物，所述聚合物组合物包括均匀分散的导电材料(如炭黑)，这种导电材料用以保持涂覆集电极元件和其毗连的聚合物基电极之间的导电性。

涂料组合物中的聚合物可以是基本不溶于用于从电池电极和隔离元件中萃取增塑剂(如DBP)的溶剂(如醚、酯或醇)和锂盐溶剂(如环状和无环的碳酸酯，包括活性电解液)并最好不会被这些溶剂浸湿或溶胀的任何材料。聚烯烃基组合物(如聚(乙烯-丙烯酸)共聚物)能很好地用作这种聚合物。这种经挑选的聚合物基质不仅能提供强粘性的保护膜以防止随后发生的氧化，还能防止由于随后加入的操作溶剂和电解液的接触导致的导电连续性下降。

附图简述

下面将结合附图对本发明进行描述，附图中：

图1是一般的聚合物层压电池结构的代表性剖面的透视图；

图2是图1电池结构中集电器网格元件剖面的平面图；

图3是沿图2集电器元件剖面4-4线的剖视图，显示本发明集电极保护涂层；

图4是一般聚合物层压电池结构的剖面图，显示在结构中涂覆集电极元件在放置方面的变化；

图5显示含有经本发明处理和未经处理的集电极元件的锂离子电池的比较的充/放电循环曲线。

发明的详细描述

代表性的聚合物基锂离子电池的结构可参见图1的模型，它包括正极组合物层13及其毗连的集电器元件12、中间隔层/电解质层14、以及负极组合物层15及其毗连的集电器元件16的整体层压物。在开始层压装配时，该结构的部件通常包括：用56重量份LiMn₂O₄嵌入化合物和6份炭黑完全分散在粘合剂基质中制成的300微米厚的膜作为电极13，所述粘合剂基质是由16份邻苯二甲酸二丁酯(DBP)增塑的16份88∶12 1，1-二氟乙烯∶六氟丙烯(PVDF∶HFP)共聚物制成的；由20份胶体二氧化硅完全分散在用50份DBP增塑的30份共聚物中制成的85微米厚的膜作为隔层14；由56份微球焦炭和3份炭黑完全分散在用23份DBP增塑的15份共聚物中制成的200微米厚的膜作为电极15。