[發(fā)明專利]具有低反離子滲透率層的電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880037738.1
• 申請(qǐng)日: 2018-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN110710049B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: N.P.克雷格;J.F.克里斯琴森;H.艾圖尼;K.哈里;A-K.斯勞吉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號(hào): H01M10/058
• 分類號(hào): H01M10/058;H01M10/0562;H01M10/0565;H01M10/0525;H01M10/054;H01M50/46;H01M50/471;H01M50/489
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉茜璐;劉春元

用于電池單元的電極配置包括：正極、負(fù)極、介于正極和負(fù)極之間的隔離物、以及介于隔離物和正極之間的低反離子滲透率層。隔離物具有針對(duì)不參與電池電極反應(yīng)的反離子的第一滲透率，并且低反離子滲透率層具有小于第一滲透率的針對(duì)反離子的第二滲透率。隔離物包括鄰近低反離子滲透率層的第一鹽濃度和鄰近負(fù)極的第二鹽濃度，并且第二鹽濃度大于第一鹽濃度。

優(yōu)先權(quán)要求

本申請(qǐng)要求2017年6月7日提交的題為“Battery?Having?a?Lower?Counter-IonPermeability?Layer”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)62/516,259的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過(guò)引用以其整體并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開大體上涉及電池，并且更特別地涉及用于電池的電極配置。

背景技術(shù)

在電池中，離子在充電和放電循環(huán)期間在負(fù)極和正極之間轉(zhuǎn)移。例如，在放電時(shí)，電子從負(fù)極通過(guò)外部電路流向正極，以在外部電路中生成電流。在此過(guò)程中，正離子（例如鋰離子電池中的鋰離子）在電池內(nèi)從負(fù)極通過(guò)電解質(zhì)行進(jìn)到正極。相反，在充電時(shí)，外部電路供應(yīng)電流，其使電子流反向從正極通過(guò)外部充電電路而回到負(fù)極，而正離子在電池內(nèi)從正極通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)極。

確定電池性能的兩個(gè)重要度量是電池的能量密度或所存儲(chǔ)的能量與電池的體積或大小之比、以及電池可以充電或放電的速率。在常規(guī)電池中，在電池的能量密度和電池可以充電或放電的速率之間存在權(quán)衡。對(duì)于給定的一組電池材料，可以通過(guò)例如改變電極中的活性材料的量來(lái)修改能量和充電/放電速率。電極中的活性材料的量可以通過(guò)減少電解質(zhì)所占據(jù)的孔隙空間或增加電極的厚度來(lái)增加。然而，這些修改中的任一者都會(huì)導(dǎo)致單元（cell）可以充電或放電的速率的降低。

針對(duì)電池的充電和放電速度的一個(gè)特定限制因素被稱為濃度極化。如上所述，在充電和放電期間，分別鄰近正極和負(fù)極的電解質(zhì)中的離子分別從電極通過(guò)電解質(zhì)行進(jìn)而到達(dá)負(fù)極和正極中的另一者。反離子（counter-ion）或不參與負(fù)極和正極處的反應(yīng)的離子傾向于在與活性離子移動(dòng)方向相反的方向上遷移。在充電期間，離子行進(jìn)會(huì)導(dǎo)致正極處的離子積累和負(fù)極處的離子耗竭。相反，在放電期間，離子行進(jìn)會(huì)導(dǎo)致負(fù)極處的離子積累和正極處的離子耗竭。該離子積累和耗竭稱為濃度極化。

緊鄰近正極或負(fù)極的電解質(zhì)中的濃度極化降低了電池可以充電和放電的速度，這是因?yàn)猷徑鄳?yīng)電極存在可以參與電化學(xué)反應(yīng)的減少數(shù)量的活性離子。此外，在一些情況下，鄰近正極和/或負(fù)極的活性離子可能被耗竭到在電池中發(fā)生不合期望的反應(yīng)的程度，從而造成對(duì)電池的損壞。

一些常規(guī)電池嘗試通過(guò)增加電池中的反應(yīng)離子的遷移率來(lái)減少濃度極化。然而，增加反應(yīng)離子的遷移率需要重新設(shè)計(jì)電池中的電解質(zhì)，這可能涉及許多其他考慮因素，可能會(huì)增加電池的成本，并可能以其他方式降低電池的效率。

因此，需要的是減少電池的濃度極化以改進(jìn)電池的效率和性能的替代方式。

發(fā)明內(nèi)容

在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于電池單元的電極配置包括：正極、負(fù)極、置于正極和負(fù)極之間的隔離物、以及介于隔離物與正極之間的低反離子滲透率層。隔離物具有針對(duì)不參與電池電極反應(yīng)的反離子的第一滲透率，并且低反離子滲透率層具有小于第一滲透率的針對(duì)反離子的第二滲透率。隔離物包括鄰近低反離子滲透率層的第一鹽濃度和鄰近負(fù)極的第二鹽濃度，并且第二鹽濃度大于第一鹽濃度。

在一些實(shí)施例中，低反離子滲透率層包括施加到正極的膜。在另外的實(shí)施例中，膜包括以下中的一種或多種：LATP；LLZO；LLTO；離子交換聚合物；磺化四氟乙烯；混合導(dǎo)體；和TiS₂。

在電極配置的另一實(shí)施例中，低反離子滲透率層包括以使得所述低反離子滲透率層形成所述隔離物和所述正極之間的鋰傳導(dǎo)材料的滲透網(wǎng)絡(luò)的方式嵌入在惰性非傳導(dǎo)聚合物中的LATP。

在電極配置的一些實(shí)施例中，低反離子滲透率層由沉積在所述正極上的LiPON形成。