具有对齐的颗粒的复合材料隔离器制造技术

提供了用于可再充电电池的离子传导型复合材料隔离器以及用于制造该复合隔离器的方法。该隔离器可以包括：块体材料，该块体材料具有阳极侧和阴极侧以及在阳极侧与阴极侧之间延伸的厚度；以及跨块体材料的厚度延伸的对齐颗粒的区域。对齐颗粒可以形成为颗粒链并且颗粒可以由固体电解质材料形成。该离子传导型隔离器可以如下地形成：在块体材料内设置多个颗粒，以及在块体材料处于液态时向颗粒和块体材料施加AC电场以使颗粒在块体材料内的至少一个离子传导的对齐颗粒区域内对齐。

【技术实现步骤摘要】

本公开设及包括用于改善离子传导性的对齐颗粒的隔离器。
技术介绍
可再充电电池（例如，裡离子电池）通常包括隔离器（S巧arator)，运些隔离器在 允许离子传导的同时提供了电极的机械隔离和电隔离。一种常见的隔离器是浸在液体电极 中的多孔聚合物膜。然而，用于很多电池（例如，裡离子电池）的常见的液体电极可能是可 燃的，并且在严重的事故中可能促成火灾。如果发生裡离子电池的过度充电，则在负极处可 能生长出裡枝晶（lithium den化ite)，并且裡枝晶穿过多孔隔膜，从而导致内部短路。如果 两个电极发生电接触，则电池能够通过该短路自放电，运可能导致热逃逸事件。热逃逸继而 可能导致火灾。
技术实现思路
在至少一个实施方式中，提供了一种用于可再充电电池的离子传导型复合材料隔 离器，其包括：块体材料，该块体材料具有阳极侧和阴极侧W及在阳极侧与阴极侧之间延伸 的厚度；W及跨块体材料的厚度延伸的对齐颗粒的区域。该对齐颗粒可W使对齐颗粒链。 在一个实施方式中，在对齐颗粒的区域中的颗粒的体积分数可W是至少85%。在 另一个实施方式中，在隔离器中的颗粒的体积分数可W是0. 1%至20%。隔离器可W包括 跨块体材料的厚度延伸的多个对齐颗粒的区域。对齐颗粒可W包括固体电解质颗粒。在一 个实施方式中，对齐颗粒的区域可W是大致线性的。 阳0化]块体材料可W包括聚乙締氧化物（PE0)、聚乙二醇（PEG)、聚甲基丙締酸甲醋 (PMMA)或聚丙締腊（PAN)。对齐颗粒可 W包括化Z0、LiPON、LISIC0N、Thio-LISICON、 LizS-PzSs、Li-Al-Ge-P〇4、Li-Ti-Al-P〇4、Li-V-Si-0、LiBSiO、LiBON、铜铁酸裡或 NASICON。 在一个实施方式中，对齐颗粒包括介电材料。对齐颗粒的区域可W具有1至5个颗粒的宽 度。 在至少一个实施方式中，提供了一种可再充电电池，其包括阳极和阴极W及设置 在阳极与阴极之间的离子传导型隔离器，该隔离器包括：块体材料，其具有从隔离器的阳极 侧延伸至阴极侧的厚度；W及跨块体材料的厚度延伸的对齐颗粒的区域。 阳007] 在一个实施方式中，对齐颗粒是对齐颗粒链。在对齐颗粒的区域中的颗粒的体积 分数可W是至少85%。隔离器可W包括跨块体材料的厚度延伸的多个对齐颗粒的区域。在 一个实施方式中，在隔离器中的颗粒的体积分数可W是0. 1 %至20%。 在至少一个实施方式中，提供了一种形成用于可再充电电池的离子传导型复合材 料隔离器的方法。该方法可W包括：在隔离器块体材料内提供多个颗粒；W及在隔离器块 体材料处于液态的同时向颗粒和隔离器块体材料施加交流电场W使颗粒在隔离器块体材 料内的至少一个离子传导的对齐颗粒区域内对齐。 在一个实施方式中，所述交流电场具有100至2, OOOV/mm的强度和10化至10曲Z 的频率。该电场可w被施加 1秒至1小时。所述方法可w包括对块体材料进行加热w使其 在施加电场的步骤之前处于液态。【附图说明】 图1是根据一个实施方式的具有对齐的颗粒的复合材料隔离器的示意性截面图； 图2是根据一个实施方式的颗粒对齐过程的示意图； 图3是根据一个实施方式的复合材料隔离器的形成和对齐过程的示意图； 图4是根据一个实施方式的再融化对齐过程的示意图； 图5A是包括在没有外部电场的情况下形成的BaTi〇3颗粒的环氧树脂膜的沈Μ截 面图像； 阳01引图5Β是包括在具有外部电场的情况下形成的BaTi〇3颗粒的环氧树脂膜的沈Μ截 面图像； 图6Α是包括在没有外部电场的情况下形成的化Ζ0颗粒的环氧树脂膜的沈Μ截面 图像； 图6Β是包括在具有外部电场的情况下形成的化Ζ0颗粒的环氧树脂膜的沈Μ截面 图像；化及 图7是示出了对于具有均匀分散的颗粒的隔离器和本公开的具有对齐的颗粒的 隔离器所计算出的离子传导率的曲线图。【具体实施方式】 根据需要，在此公开了本专利技术的详细的实施方式；然而，应当理解的是，所公开的 实施方式仅仅是可W通过多种替代形式实施的本专利技术的示例。附图未必一定按照比例绘 审IJ ;一些特征可能被放大或缩小W示出特定组成部分的细节。因此，在此公开的具体的结构 和功能方面的细节不应被理解为是限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员W多 种方式使用本专利技术的代表性基础。 为了解决已知会影响常规的多孔聚合物隔离器的问题，替代性的隔离器材料和/ 或构型可能是有益的。由固体电解质（S巧的致密片材形成的隔离器可W解决可燃性和枝 晶形成运两个问题。然而，致密的SE片材通常不能够在需要柔性隔离器的当前制造技术中 使用。非多孔的离子传导聚合物隔膜将是另一种可能有吸引力的方案，但是，当前的聚合物 不具有能够在一些应用（例如，汽车应用）中使用的足够的传导性。具有随机分散的SE颗 粒的聚合物组成的复合材料可W将运两种方案的其中一些优点组合起来。然而，在高的固 体负荷下，隔膜既有高传导性又易碎，而在低负荷下，隔膜的传导性差但却是柔性的。因此， 能够更高效地使用SE颗粒W在中度负荷下提供高水平性能的替代性方法将解决常规的隔 离器的已知问题和潜在的替代方案的缺点。 参照图1，可再充电电池 10 (例如，裡离子电池）的示意性截面图示出为具有负极 (阳极）12、正极（阴极）14和复合材料隔离器16。在隔离器16的块体内具有多个颗粒18。 颗粒18可W布置成一个或多个对齐的组，例如跨隔离器16的厚度（例如，从阳极侧到阴极 侦?延伸的串或链20。串或链20可W是连续的，但是也可W包括间隙或中断。链20可W 是线性的或大致线性的，并且可W形成跨隔离器16的厚度的直线。在一些实施方式中，一 个或多个链20可W是非线性的，但是仍然跨隔离器16的厚度延伸，W形成高传导路径。在 一个实施方式中，链20平行于厚度方向（即，垂直于阳极和阴极）定向。链可W具有单个 颗粒或多个颗粒（例如，多达5个或10个颗粒）的厚度。如图1所示，链20可W由彼此接 触的颗粒18形成，或者，颗粒可W紧密地相邻但不发生物理接触。在一个实施方式中，一个 或多个链20可W跨隔离器16的整个厚度不中断地延伸。在另一个实施方式中，链20可W 跨隔离器16的整个厚度基本不中断地延伸，其中在链20中具有小的间隙。一个或多个链 20也可W跨隔离器16的厚度的大部分延伸或者在厚度的至少一定百分比范围内延伸。例 如，一个或多个链18可W在隔离器16的厚度的至少50%、60%、70%、80%、90%或95%的 范围内延伸。 尽管颗粒18在图1中示出为横截面为圆形，但颗粒18可W具有任何形状。例 如，颗粒18可W是球形、板形、盘形、针状、圆柱形、不规则形状、薄片形、立方体形、有角度 形状、针尖状、板条状或者其他已知的颗粒形状。链20在图1中示出为具有单个颗粒18宽 度，但是链20可W具有多于一个颗粒宽度，例如多达3个、5个或10个颗粒宽度。颗粒18 可W具有任何合适的尺寸或直径，例如3皿至100 μηι，或者在3皿至100 μηι中的任何子范 围，例如50皿至50 μ m或者500皿至30 μ m。最大颗粒尺寸可W受到隔离器的厚度限制。 在一个实施方式中，颗粒18可W具有大当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于可再充电电池的离子传导型复合材料隔离器，包括：块体材料，所述块体材料具有阳极侧和阴极侧以及在所述阳极侧与所述阴极侧之间延伸的厚度；以及跨所述块体材料的厚度延伸的对齐颗粒的区域。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：文卡塔拉曼尼·阿南丹，安德鲁·罗伯特·德鲁，约翰·马修·俊德，
申请(专利权)人：福特环球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US