[发明专利]用于锂电池电解质的表面锂化金属氧化物纳米颗粒

说明书

技术领域

[0001]本申请要求2005年9月29日提交的临时申请No.60/721,655的利益。该临时申请公开的内容在此引作参考。

背景技术

[0002]由于高电压、重量轻和高能量密度，锂离子可充电电池比其它商用可充电电池具有优点。这种电池适合很多应用例如便携式电源，其中能量密度是非常重要的；以及混合电动汽车，其中功率密度是十分重要的。

[0003]锂离子电池由阳极、阴极和填充有电解质的隔板组成。用于阳极的活性材料通常是锂/碳嵌入化合物。电解质通常是有机溶剂，例如碳酸烷基酯，包含溶解的锂盐，例如LiPF₆。在放电过程中，锂在阳极被氧化形成Li⁺阳离子，其通过电解质扩散至阴极，通常是过渡金属氧化物，其中Li⁺插入在氧化物晶格中，同时过渡金属被还原。

[0004]用锂离子导电聚合物电解质膜替代填充有液体电解质的隔膜应该能够制备柔性的、密实的、层叠的固态结构，可以各种几何形状获得。由于没有液体泄漏的可能性，它们固有地具有低安全危险，并且使用锂金属箔阳极可以生产高能量电池。

[0005]金属氧化物纳米颗粒例如二氧化硅、氧化铝和氧化钛经常用于增加聚合物电解质的离子导电率和机械性能。然而，金属氧化物具有羟基，其中晶格，例如在颗粒的表面上有缺陷。表面质子可是酸性的并且可能妨碍在聚合物电解质制剂(formulation)中所关注离子的离子导电率的测量。酸性表面质子也可以反应并且分解制剂中的其它材料，以及在电化学装置例如电池中发生电化学反应产生氢或降级电极。

发明内容

[0006]本发明通过使用锂离子(例如，陶瓷、金属氧化物，包括纳米颗粒的其它颗粒)取代颗粒上的至少部分表面酸性质子，解决了与表面羟基或表面质子有关的问题。与质子不同，锂离子化学稳定并且有助于锂电池的运行(例如，根据在电池室中希望的电化学还原反应，锂离子在阳极被还原)。锂离子还可以是流动的，从而对锂离子的迁移率有贡献。表面锂化颗粒还可以提高聚合物电解质的离子导电率。

[0007]用于锂离子导电聚合物电解质的特定添加剂的表面锂化的优点在于其适用于包括陶瓷和金属氧化物的所有类型的颗粒。“金属氧化物颗粒”表示由一种或多种金属或半金属和氧构成的无机材料。尽管可以使用任何合适的金属氧化物颗粒，适合的金属氧化物颗粒的实例包括选自Al₂O₃、SiO₂、BPO₄、BaTiO₃及它们的混合物等中的至少一种。表面锂化金属氧化物颗粒的平均粒径小于或等于约5微米，并且通常小于约100纳米。“陶瓷”表示无机、非金属、包括非晶体和晶体材料的非分子材料，多孔的和无孔的。尽管任何适合的陶瓷颗粒都可以被锂化，适合颗粒的实例包括选自Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、MgO、ZrO₂、Nb₂O₅、Cr₂O₃、SnO₂、Fe₂O₃和PbO；金属氧化物的混合物例如SiO₂/Al₂O₃；陶瓷材料的各种相例如α-氧化铝、β-氧化铝或γ-氧化铝；混合的金属氧化物例如铝硅酸盐、BaTiO₃或BPO₄；热解法金属氧化物例如热解法二氧化硅；合成或天然粘土；沸石；或层状双氢氧化物和有机硅酸盐(例如，class I和class II)中的至少一种。陶瓷颗粒还可以包括锂，例如LiAlO₂或Li₃N，只要可以提高表面锂离子含量。表面锂化陶瓷颗粒的平均粒径小于或等于约5微米，并且通常小于约100纳米。

[0008]锂化的纳米颗粒还可以加入到聚合物电解质制剂中以提高导电率。导电率的提高也可以从约1wt％至约50wt％的颗粒负载量范围得知。通过使用本发明的锂化颗粒，可以使用相对高的颗粒负载量，因为即使以相对高的颗粒负载量，锂化颗粒也能保持充足的锂离子含量。

[0009]本发明的一方面涉及一种组合物，其包括表面锂化颗粒(例如，具有由Li+阳离子平衡的负表面电荷的陶瓷颗粒)。本发明通常可以在任何颗粒(例如，陶瓷或金属氧化物颗粒)上形成锂化表面，这些颗粒表现出负ζ(zeta)电位。