[發明專利]含鋰電化學電池的隔膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201811617186.X
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN110071246B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 肖興成;M·蔡;G·齊
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/443;H01M50/449;H01M50/491;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 林偉峰

本文提供了一種含鋰電化學電池的多孔隔膜。多孔隔膜包括多孔基材和包括鋰離子交換的沸石顆粒的活化層。本文還提供了多孔隔膜的制造方法和包括多孔隔膜的含鋰電化學電池的制造方法。

引言

本發明一般涉及含鋰電化學電池，更具體地涉及含鋰電化學電池的隔膜和制造這種隔膜的方法。

電化學電池，如電池，是通過電化學氧化還原(redox)反應的方法將化學能轉化為電能的設備。在二次電池或可充電電池中，這些電化學反應是可逆的，從而允許電池經歷多次充放電的循環。

高能量密度的電化學電池，如鋰離子電池，可用于各種消費產品和車輛，如混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)。典型的鋰離子電池，鋰硫電池和鋰金屬電池包括第一電極，第二電極，電解質材料和隔膜。一個電極用作正極或陰極，另一個電極用作負極或陽極。可以電連接一堆電池單元來增加總輸出。通過在負極和正極之間來回可逆地傳遞鋰離子，傳統的可充電鋰離子電池得以運行。隔膜和電解質設置在正負極之間。電解質適合于傳導鋰離子，并且可以是固體(例如，固態擴散)或液體的形式。負極和正極中的每一個通常承載或連接在金屬集電器上，例如，以電極材料薄層的形式。集電器可以通過可中斷的外部電路彼此連接，電子可以通過該外部電路從一個電極傳遞到另一個電極，而鋰離子在電池的充放電期間以相反的方向遷移通過電化學電池。

鋰離子電池可以根據需要可逆地向相關的負載設備供電。更具體地，可以通過鋰離子電池向負載設備供應電力，直到徹底耗盡負極的鋰含量。然后可以通過在電極之間沿相反方向傳遞合適的直流電來對電池進行再充電。

在放電期間，負極可以含有相對高濃度的插入鋰，其被氧化成鋰離子和電子。鋰離子從負極(陽極)到達正極(陰極)，例如，通過插入多孔隔膜孔隙內包含的離子導電電解質溶液。同時，電子從負極通過外部電路到達正極。鋰離子可以通過電化學還原反應被同化到正極材料中。電池可以在外部電源部分或完全放掉其可用容量之后再充電，這反轉了放電期間發生的電化學反應。

在再充電期間，正極中的插入鋰被氧化成鋰離子和電子。鋰離子經由電解質通過多孔隔膜從正極到達負極，而電子通過外部電路到達負極。鋰陽離子在負極處被還原為元素鋰并儲存在負極材料中以便再利用。

發明內容

本部分提供了對本發明的總體概述，并未全面公開其全部范圍或其所有特征。

在某些方面，本發明提供了一種制造含鋰電化學電池多孔隔膜的方法。該方法可包括用Li⁺離子對前體沸石顆粒進行離子交換以形成鋰離子交換的沸石顆粒。該前體沸石顆粒可包括一種或多種以下陽離子：H⁺、NH₄⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca⁺。該鋰離子交換的沸石顆粒可具有：(i)小于或等于約1nm的平均孔徑；和(ii)小于或等于約20μm的平均粒徑。該方法還可包括制備包含鋰離子交換的沸石顆粒和聚合物粘合劑材料的漿料，以及在多孔基材的第一側，第二側或第一側和第二側兩者上沉積漿料層。該方法還可包括干燥該漿料以在多孔基材的第一側，第二側或第一側和第二側兩者上形成活性層。該活化層可以具有小于或等于約20μm的厚度。

該鋰離子交換的沸石顆粒可具有下列中的一個或多個：(i)約0.01nm至約1nm的平均孔徑；(ii)約10nm至約20μm的平均粒徑；和(iii)約10至約50的SiO₂∶Al₂O₃的比。該活化層可以具有約50nm至約20μm的厚度。

該鋰離子交換的沸石顆粒可具有由8元環、9元環、10元環、12元環或其組合所限定的孔開口。

該鋰離子交換的沸石顆粒可包括具有選自NAT、EDI、THO、ANA、YUG、GOO、MON、HEU、STI、BRE、FAU、MFI、LTL、LTA及其組合的骨架類型的沸石材料。