[發(fā)明專(zhuān)利]用于鋰離子疊層蓄電池的中孔聚合物隔離元件

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 01124914.5
• 申請(qǐng)日: 2001-06-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN1349263A
• 公開(kāi)（公告）日: 2002-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·杜帕基耶;J·M·塔拉斯肯
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 化合價(jià)技術(shù)(內(nèi)華達(dá)州)股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M2/14
• 分類(lèi)號(hào): H01M2/14
• 代理公司: 上海專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 朱黎明

發(fā)明的背景

本發(fā)明涉及可再充電的電解液蓄電池，它包括聚合物薄膜組分的電極元件和隔離元件，以及金屬箔或絲網(wǎng)的集電器，這些部件通常在熱和壓力作用下疊合成整體的蓄電池結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法制備這種隔離元件薄膜(即隔膜)，這種隔膜是多孔的，因此即便在高溫疊合加工后也能吸附并保留大量的電解液，從而在寬的溫度范圍可再充電蓄電池長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，它仍能具有高的離子導(dǎo)電性和充放電循環(huán)穩(wěn)定性。

適合本發(fā)明的電解液蓄電池包括美國(guó)專(zhuān)利5,460,904所述類(lèi)型的鋰離子鑲嵌電池，如美國(guó)專(zhuān)利5,418,091所述，它最好包括隔離元件，這些專(zhuān)利參考結(jié)合于此。這種電池是由單獨(dú)的正極和負(fù)極元件制成的，所述正極和負(fù)極元件分別包括分散在聚合物基質(zhì)中的細(xì)分的活性材料(如鋰源物質(zhì)LiMn₂O₄和碳)，形成撓性層(即電極膜)。這些電極元件疊合在置于其中間通常由相同聚合物材料制成的電絕緣隔膜上。所述隔膜最終含有均勻分布的鋰鹽有機(jī)溶液，該溶液的作用是在蓄電池的充放電循環(huán)過(guò)程中作為電極之間的離子導(dǎo)電橋電解液，并使鑲嵌的鋰離子可逆地流入和流出這些電極活性材料。最后，為了使蓄電池電路中隨之產(chǎn)生的電子流能夠流動(dòng)，各個(gè)正極和負(fù)極元件具有相應(yīng)的集電器元件。使用時(shí)此集電器元件也作為電極終端，與引向蓄電池使用裝置的導(dǎo)體連接。

在那些上述蓄電池的制造和使用中，使用了含有與聚合物相容的增塑劑化合物的隔膜元件組合物，在加入電解液使之具有活性時(shí)，部分這些化合物會(huì)從最終電池隔離元件中析出。這些聚合物隔離元件組合物(以及類(lèi)似的聚合物電極組合物)的獨(dú)特之處在于析出(通常被對(duì)聚合物惰性的溶劑萃取)摻混的相容增塑劑時(shí)，不會(huì)在聚合物基質(zhì)中產(chǎn)生孔隙，而是對(duì)這種基質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理以便吸附活性電解液。

另一方面，美國(guó)專(zhuān)利3,351,495描述了現(xiàn)有的聚合物蓄電池隔離元件依靠基質(zhì)孔隙來(lái)促進(jìn)電解液的吸附。但是這種隔離元件的制備是依靠一個(gè)類(lèi)似的溶劑萃取操作從固化的組合物中除去不相容的所謂“增塑劑”組分以及夾雜的惰性填料顆粒來(lái)獲得最終孔隙的。

本發(fā)明電池隔膜元件具有一定的中孔度，能產(chǎn)生改善的電解液吸附性能因而形成高的離子導(dǎo)電性，而其制備無(wú)需耗時(shí)又昂貴的萃取操作。相反，本發(fā)明電池元件的制備僅需一個(gè)簡(jiǎn)單的隔膜涂覆即流延步驟，它以后通過(guò)涂料組合物流體載體各組分的差速蒸發(fā)而形成較好的孔隙。

發(fā)明的概述

本發(fā)明提供一種中孔聚合物基質(zhì)層(即膜)的制備方法，在疊層的鋰離子鑲嵌蓄電池中這種膜均能很好地作為隔離器和電極元件。這種膜可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的涂覆或膜流延操作由聚合物組合物制得，所述組合物包含對(duì)聚合物是溶劑和對(duì)聚合物不是溶劑(以下稱(chēng)為非溶劑)的涂料載體組分的混合物，在基本溶劑蒸發(fā)操作過(guò)程中，由于兩者不同的蒸發(fā)速率，從而使低揮發(fā)性非溶劑很好地分散在整個(gè)固化的聚合物基質(zhì)層中。在蒸發(fā)除去溶劑組分使聚合物基質(zhì)膠凝或固化后，從聚合物基質(zhì)中最后蒸發(fā)和擴(kuò)散這種非溶劑組分形成中孔的基質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能容易地吸收電解液，在蓄電池中形成高的離子導(dǎo)電性。

除了基質(zhì)聚合物和涂料載體混合物以外，涂料組合物最好還包括細(xì)分的惰性填料(如二氧化硅)。這種顆粒最初均勻地分散在涂層中，但是在基質(zhì)膜膠凝過(guò)程中，這些顆粒會(huì)明顯部分地遷移，濃縮成在分散的非溶劑載體液滴中的團(tuán)聚物。因此均勻分布的填料顆粒不僅向最終層提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且在非溶劑載體擴(kuò)散后提供支持，得以保持中孔的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，并且隨后在將隔離元件與電極元件疊合成整體的蓄電池結(jié)構(gòu)的熱疊合操作的壓縮力作用下，進(jìn)一步擴(kuò)大這種附加的支持。

除了基質(zhì)聚合物和溶劑/非溶劑的混合物以外，電極涂料組合物還包含各自的電解活性組分，如粉末碳和鑲嵌化合物(如LiMn₂O₄尖晶石)。盡管這些活性組分以細(xì)分狀態(tài)分散在涂料組合物中，但是它們不會(huì)明顯干擾中孔的形成，因?yàn)槠淞酵ǔＪ谴笥谥锌卓紫冻叽绲臄?shù)量級(jí)。

在形成中孔的隔離元件和電極元件以后，基本上如上述專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)所述，將各個(gè)電極元件與金屬絲網(wǎng)或金屬箔的集電器熱疊合在一起，隨后在這些電極組件中間置入隔離元件，將其疊合在一起。完成電池的制備工作還包括用常規(guī)的方法加入電解液并使中孔隔膜吸收該電解液以進(jìn)行活化，并最終包裝之。

附圖簡(jiǎn)述

下面將參照附圖說(shuō)明本發(fā)明：

圖1是帶有本發(fā)明隔離元件和電極膜元件的鋰離子復(fù)合蓄電池的示意圖；

圖2是一段本發(fā)明隔膜的剖面圖，顯示膜聚合物膠凝早期非溶劑載體液滴和惰性填料顆粒的相對(duì)分散情況；