[发明专利]具有被涂覆的分隔体的锂离子蓄电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于插入在锂离子蓄电池的组装件的电极之间的多孔聚合物分隔体。更具体地说，本发明涉及共形的(conformal)、非导电性的陶瓷涂层在此类分隔体的表面（包括孔隙表面）上的沉积。该表面共形性(conforming)涂层维持该分隔体的孔隙度以便保留电解质和发挥作用，以及增强和保护该分隔体。

背景技术

锂离子二次蓄电池是便携式的消耗电子设备中常见的，这归因于它们的高能量-重量比、记忆效应的缺乏、和当不使用时缓慢的自放电。可充电式锂离子蓄电池也被设计和制备用于汽车应用中，以便为电动机提供能量来驱动车轮。

锂离子蓄电池可以以不同的尺寸和形状形成，但是三种常用的部件是构成蓄电池的电池的阳极、阴极和电解质。在放电中的阳极变成在充电时的阴极，在放电时的阴极变成在充电时的阳极。由此进一步向前，我们应该将属于在放电时的阳极的那一电极(负电极)称作阳极，属于在放电时的阴极的那一电极(正电极)称作阴极。多孔分隔体常常用于含有电解质和防止在阳极和阴极之间的物理接触（导电性接触）。许多的电池可以按照串联或并联式的电流流动连接方式或它们的任何合适的组合来排列，以满足蓄电池设计的电势和功率需要。

锂离子蓄电池一般通过让锂离子在负电极和正电极之间可逆地通过来工作。负和正电极位于微孔聚合物分隔体的相对侧上，该分隔体浸有适合于传导锂离子的电解质溶液。负电极和正电极中的每一个也可承载在或连接到金属集流器(典型地，用于阳极的铜和用于阴极的铝)上。在蓄电池使用过程中，与两个电极相连的复数个集流器通过可控制的、可中断的外电路来连接，后者让电子流在电极之间通过以便电平衡锂离子通过各电池的相关传输。许多不同的材料可用来生产锂离子蓄电池的这些不同部件。但是一般来说，负电极典型地包括锂插入材料或合金宿主(host)材料，正电极典型地包括能够在比负电极的宿主材料更高的电势(相对于金属锂参比电极)下储存锂的含锂的活性材料，电解质溶液典型地含有已溶解在非水溶剂中并且在其中电离的一种或多种锂盐。阳极和阴极材料与电解质的接触导致在电极之间的电势，并且当电子电流在这两个电极之间的外电路中应用时，该电势是由在蓄电池的各电池内的电化学反应来维持的。

锂离子蓄电池，或按照电流的串联或并联排列(或它们的任何合适结合)方式连接的多个的锂离子蓄电池，能够用于为相关的载荷设备可逆地供给电源。蓄电池系统将电功率按需供应给载荷设备如电动机，直到负电极(阳极)的锂含量已经贫乏到预定水平为止。随后通过让合适的直流电在相反方向上在这两种电极之间通过，该蓄电池进行再充电。

在放电的开始时，锂离子蓄电池的负电极含有高浓度的插入(intercalated)锂，而正电极是相对锂贫乏的。在这种情况下在负电极和正电极之间闭合外电路的建立引起插入锂从该负阳极中的输出。该插入锂被氧化成锂离子和电子。该锂离子经由在介入的聚合物分隔体的孔隙内所含的离子导电性电解质溶液从负电极(阳极)携带至正电极(阴极)，而同时，所释放的电子通过外电路从负电极传输到正电极(借助于集流器)，以便平衡在电化学电池中发生的总反应。锂离子通过电化还原反应被吸收到阴极材料中。电子流过外电路能够为载荷设备提供电能，直至在负电极中的插入锂的水平降低到可工作水平之下或对电源的需要结束为止。

在蓄电池的有效电容部分或完全放电之后，该锂离子蓄电池可以再充电。为了将锂离子蓄电池充电或为其再提供电能，外接电源连接到正电极和负电极以便驱动蓄电池放电电化学反应的逆向进行。也就是说，在充电过程中，在正电极内的锂被氧化得到锂阳离子和电子。阳离子跨越该分隔体到达负电极，和电子也穿过外电路到达负电极。在负电极材料的表面处，锂阳离子通过与负电极内的可用电子相结合而还原成锂，因此负电极锂含量提高。总之，充电过程减少正电极内的锂含量并提高在负电极内的锂含量。

该分隔体在锂离子蓄电池的各电池中起着重要作用。在许多锂离子蓄电池构造中，负电极和正电极材料形成为在它们的各自集流器(例如，铜或铝箔)上的薄的、致密的、聚合物粘结的、颗粒状的材料层，  而各电池是用插入在彼此面对的电极层之间的薄的、多孔的、聚烯烃分隔体膜来组装的。例如，使用具有约二十五微米至约三十微米的厚度和35%或更高的孔隙度的聚乙烯或聚丙烯纤维膜。在该薄的聚合物片材中形成非常小的、开孔的孔隙以便允许液体电解质进入和流过该分隔体膜。

因此，聚烯烃膜的孔隙和表面填充含有锂离子的、非水性的电解质并且与其接触，该电解质接触和润湿彼此面对的电极材料以便让锂离子和反离子流过分隔体的孔隙和在电极之间流动。但是该聚合物膜抵抗电子直接在电极材料之间流动。