用于电池的纳米多孔分隔器以及相关的制造方法技术

提供了锂电池，其中所述电池包括阳极、阴极，其中所述阴极包含一种或多种过渡金属、电解质、以及在所述阴极和阳极之间插入的多孔分隔器，其中所述分隔器包含阴离子化合物。还提供了制造此类电池的方法。

Nano porous separator for battery and related manufacturing method

A lithium battery is provided, in which the battery includes an anode and a cathode, wherein the cathode contains one or more transition metals, electrolytes, and a porous separator inserted between the cathode and anode, in which the separator contains anionic compounds. A method of making such a battery is also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池的纳米多孔分隔器以及相关的制造方法相关申请本申请要求于2015年7月9日提交的第62/231,539号美国临时专利申请的权益和优先权。本申请也是于2016年4月15日提交的第15/130,660号美国专利申请的部分继续申请，并要求其优先权。各个上述申请的内容通过引用以其整体并入本文。政府权利的声明本专利技术在美国能源部授予的DE-EE00054333基金号的政府支持下完成。政府拥有本专利技术的某些权利。专利
本专利技术大体上涉及电池以及诸如电容器和锂离子电容器的其他电流产生单元的领域。更具体地，本专利技术涉及用于锂电池的分隔器以及相关的制造方法。专利技术背景在本申请中，通过标注的引证援引了各种专利。本申请中引用的专利公开内容由此通过引用并入本公开，以便更全面地描述本专利技术涉及的领域现状。锂电池广泛用于便携式电子设备，例如智能手机和便携式计算机。其中锂电池的新型应用是用于混合动力、插电式混合动力和电动汽车的高功率电池。然而，电动汽车的广泛接受需要可以以较低成本构成并且具有改善的安全性特征的电池。现有的用于制造锂电池(包括可再充电的锂电池和不可再充电的锂电池)和其他类型电池的方法是相对缓慢、复杂且昂贵的。例如，可再充电的锂离子电池通常通过交错电池的各种层的条带(strip)而形成堆叠来构成。这些层可以包括塑料分隔器、两侧涂有阴极层的导电金属基底、另一个塑料分隔器、以及另一个两侧涂有阳极层的导电金属基底。这种交错通常在构成和操作上低效且昂贵的制造设备上完成。因此，对于不需要交错不连续的电池层的制造技术存在需求。如上文所述，目前的锂电池使用金属基底来装配。在制造过程中，这些金属基底通常被切割成不连续的电池堆叠。已知这会形成嵌入分隔器或成品电池的其他部分的金属残片，其可以导致短路或其他危险的情况。因此，对于消除这些安全问题的改善的制造技术存在需求。另外，已知的降低锂离子电池成本的挑战之一是阴极的组成。就此而言，阴极材料经常占据总电池成本的30％或更多。因此，对于使用锰及其氧化物作为阴极材料具有日益增长的关注，因为锰比其他阴极材料廉价得多，并且在自然界中丰富存在。然而，当在锂离子电池中用作阴极时，锰容易溶解，特别是在较高温度下。在操作过程中，溶解的锰离子在分隔器和阳极上沉积，导致电池循环寿命缩短。此外，这种迁移问题不限于锰。就此而言，在电池工业也存在着转向包含镍-锰-钴氧化物(NMC)、尤其是富含镍的NMC的阴极的趋势。然而，镍离子和钴离子，如同锰离子一样，扩散通过分隔器并且扩散至阳极上，这缩短了电池循环寿命。因此，如果这些金属(例如，锰、镍和钴)的迁移能够被控制和消除，则将会是有利的。专利技术概述本专利技术的目的是提供能够复杂程度更低地、更廉价地装配的电池堆叠或电池，以及比诸如用于便携式计算机电池的加工设备速度更快的自动化加工设备。另一个目的是提供比现有电池更廉价地制造，并且能够使用过渡金属(例如锰、镍和钴)但控制这些金属的迁移而不缩短电池循环寿命的电池。本专利技术通过本文描述的电池堆叠和电池满足了前述目的。本文描述的电池堆叠和电池包括各种涂层和材料，所述涂层和材料在下文描述。应用本专利技术的电池的实例包括单个的电流产生单元，以及在壳体(casing)或组合(pack)内结合的多个电流产生单元。一种此类的电池是锂电池，包括，例如，可再充电的锂离子电池或二次锂离子电池、不可再充电的锂金属电池或一次锂金属电池、可再充电的锂金属电池以及其他的电池类型，例如可再充电的锂金属合金电池。本文描述的电池堆叠包括分隔器、电极和集电器。包含正电极的电池堆叠结合包含负电极的电池堆叠一同形成电池。本文描述的电池堆叠和电池包括分隔器以保持两个电极分离，以便防止电短路，同时也允许电化学单电池中电流传输时锂离子和任何其他离子的转移。可以用于锂电池的分隔器的实例包括，陶瓷分隔器和聚烯烃分隔器。陶瓷分隔器包括包含无机氧化物和其他无机材料的分隔器。本文描述的电池堆叠和电池包括包含电活性材料的电极。电极层可以配置为发挥阳极(负电极)或阴极(正电极)的作用。在锂离子电池中，例如，当锂离子通过电解质从阳极扩散至阴极时生成电流。可以用于锂电池的电活性材料的实例包括，例如，锂钴氧化物、锂锰氧化物、磷酸锂铁、锂镍锰钴氧化物(NMC)和硫磺作为阴极层的电活性材料，以及钛酸锂、锂金属、硅、插入锂的石墨和插入锂的碳作为阳极层的电活性材料。本文描述的这些电池堆叠和电池还包括集电器，其可以是邻近电极层的一个或多个电流收集层。集电器的一个功能是为进入和来自电极的电流的电流提供导电通路，以及为通向单电池的外部回路提供有效的电连接。集电器可包括，例如，单个导电金属层或涂层，例如本文讨论的熔结金属颗粒层。如下文进一步讨论的，可以起到集电器作用的示例性的导电金属层是包含镍的熔结金属颗粒层，其可以用于阳极层或阴极层。在本专利技术的实施方案中，导电金属层可以包含铝，例如铝箔，其可以用作集电器以及用于正电极或阴极层的基底。在其他实施方案中，导电金属层可以包含铜，例如铜箔，其可以用作集电器以及用于负电极或阳极层的基底。本文描述的电池还包括电解质，例如那些在锂电池中有用的电解质。适合的电解质包括，例如，液体电解质、凝胶聚合物电解质，以及固体聚合物电解质。适合的液体电解质包括，例如，在有机溶剂的混合物中的LiPF6溶液，所述有机溶剂的混合物例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸甲基乙基酯的混合物。在一个实施方案中，本专利技术包括锂电池，其包括：阳极；阴极，其中所述阴极包含一种或多种过渡金属；电解质；以及在所述阴极与阳极之间插入的多孔分隔器，其中所述分隔器包含阴离子化合物。在一个实施方案中，阳极包含锂金属。在一个实施方案中，阴极包含一种或多种选自锰、镍和钴的过渡金属。在一个实施方案中，多孔分隔器包含一种或多种无机氧化物或无机氮化物。在一个实施方案中，分隔器包含勃姆石。在一个实施方案中，阴离子化合物包含两种或更多种阴离子基团。在一个实施方案中，阴离子基团选自磺酸根和羧酸根。在一个实施方案中，阴离子基团的阳离子包括锂离子。在一个实施方案中，阴离子化合物占多孔分隔器的重量的大于约0.1重量％。在一个实施方案中，阴离子化合物是蒽醌。在一个实施方案中，阴离子化合物是光敏剂。在一个实施方案中，光敏剂是除氧剂。在一个实施方案中，分隔器包含通过光敏剂的质子吸收而形成的聚合物。在一个实施方案中，阴离子化合物是锂金属的氧化剂。在一个实施方案中，多孔分隔器具有小于约100nm的平均孔直径。在一个实施方案中，多孔分隔器电解质中的HF的清除器。在一个实施方案中，多孔分隔器抑制过渡金属阳离子迁移通过分隔器。在一个实施方案中，阴极和阳极包括电极层，并且一个或多个电极层涂覆在分隔器上。在一个实施方案中，本专利技术包括用于电流产生单元的分隔器，其包含：一种或多种无机氧化物或无机氮化物、粘合剂、以及阴离子化合物。在一个实施方案中，阴离子化合物选自磺酸盐和羧酸盐。在一个实施方案中，阴离子化合物是锂金属枝晶的氧化剂。在一个实施方案中，阴离子化合物是光敏剂。在一个实施方案中，本专利技术包括电池堆叠，其包括：多孔分隔器，邻近多孔分隔器的电极层，涂覆在电极层上的集电器层，以及沿电池堆叠的一个或多个边缘的强化区域，其中所述强化区域包含聚合物。在一个实施方案中，强化区域包本文档来自技高网...

【技术保护点】
电池，其包括：阳极，阴极，其中所述阴极包含一种或多种过渡金属，电解质，以及在所述阴极与阳极之间插入的多孔分隔器，其中所述分隔器包含阴离子化合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.09 US 62/231,539;2016.04.15 US 15/130,6601.电池，其包括：阳极，阴极，其中所述阴极包含一种或多种过渡金属，电解质，以及在所述阴极与阳极之间插入的多孔分隔器，其中所述分隔器包含阴离子化合物。2.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极包含锂金属。3.如权利要求1至2中任一项所述的电池，其中所述阴极包含一种或多种选自锰、镍和钴的过渡金属。4.如权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述阴极包含过渡金属氧化物。5.如权利要求1至4中任一项所述的电池，其中所述阴极包含锂钴氧化物。6.如权利要求1至4中任一项所述的电池，其中所述阴极包含磷酸锂铁。7.如权利要求1至4中任一项所述的电池，其中所述阴极包含锂锰氧化物。8.如权利要求1至4中任一项所述的电池，其中所述阴极包含锂镍锰钴氧化物。9.如权利要求1至8中任一项所述的电池，其中所述多孔分隔器包含一种或多种无机氧化物或无机氮化物。10.如权利要求1至9中任一项所述的电池，其中所述多孔分隔器包含勃姆石。11.如权利要求1至10中任一项所述的电池，其中所述阴离子化合物包含两种或更多种阴离子基团。12.如权利要求1至11中任一项所述的电池，其中所述阴离子基团选自磺酸根和羧酸根。13.如权利要求1至12中任一项所述的电池，其中所述阴离子基团的阳离子包括锂离子。14.如权利要求1至13中任一项所述的电池，其中所述阴离子化合物占所述多孔分隔器的重量的大于约0.1重量％。15.如权利要求1至14中任一项所述的电池，其中所述阴离子化合物是蒽醌。16.如权利要求1至15中任一项所述的电池，其中所述阴离子化合物是光敏剂。17.如权利要求1至16中任一项所述的电池，其中所述光敏剂是除氧剂。18.如权利要求1至17中任一项所述的电池，其中所述分隔器包含通过所述光敏剂的质子吸收而形成的聚合物。19.如权利要求1至18中任一项所述的电池，其中所述阴离子化合物为锂金属的氧化剂。20.如权利要求1至19中任一项所述的电池，其中所述多孔分隔器具有小于约100nm的平均孔直径。21.如权利要求1至20...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·A·卡尔森，本杰明·斯隆，大卫·W·埃维森，
申请(专利权)人：奥普图多特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US