[发明专利]用于电化学电池的隔膜

说明书

发明领域

本发明一般地涉及多孔膜领域并且涉及产生电流的电池领域和用于产生电流的电池的隔膜(separator)领域。更具体地，本发明涉及包含氧化铝和有机聚合物的多孔隔膜(separator membrane)，其中通过使用有机酸处理已经将所述氧化铝表面改性以提供在质子惰性有机溶剂中的分散性。此外，本发明涉及包含这种多孔隔膜的诸如锂离子电池和电容器的产生电流的电池。

背景

将已经组装成用于电化学电池的结构的电活性材料称为电极。在用于电化学电池的电极对之中，将电化学较高电势一侧上的电极称为正电极或阴极，而将电化学较低电势一侧上的电极称为负电极或阳极。电池组(battery)可包含一个或多个电化学电池。

为防止从阳极到阴极内部短路中电子不期望的流动，将电解质元素置于阴极和阳极之间。该电解质元素必须为非导电的以防止短路，但必须允许阳极和阴极之间离子传输。电解质元素还应为电化学稳定的并且化学上朝向阳极和阴极。

通常，电解质元素包含称为隔膜的多孔材料(因为它使阳极和阴极彼此分离或隔离)和通常在隔膜的孔中包含离子电解质盐和离子导电材料的水性或非水性电解质。多种材料已经用于电化学电池中电解质元素的多孔层或隔膜。这些多孔隔膜材料包括诸如聚乙烯和聚丙烯、玻璃纤维滤纸和陶瓷材料的聚烯烃。通常在电化学电池的制造中以置于阳极和阴极之间的多孔无支撑膜形式提供这些隔膜材料。

包含有机溶剂和锂盐的液体有机电解质通常在用于可再充电或二次锂离子和不可再充电或一次锂电化学电池的电解质元素中的隔膜的孔中用作电解质。或者，可使用包含离子导电聚合物和锂盐和任选有机溶剂的凝胶或固体聚合物电解质代替液体有机电解质。

除了为多孔的并对产生电流的电池的其它材料化学稳定之外，隔膜应为柔韧、薄、成本经济并具有良好的机械强度和安全性质。

隔膜中的高孔隙率对于获得大多数电池组中的有效性能所需的高离子导电性是重要的，除了例如，在相对低的充电和放电速率下操作的那些电池，还对于诸如超级电容器的电容器的效率是重要的。期望在锂离子电池组中隔膜具有至少30%，且优选40%或更高的孔隙率。

电解质元素中隔膜的另一高度期望的特征在于它容易被提供离子导电性的电解质材料润湿。当隔膜材料为具有非极性表面性质的聚烯烃材料时，电解质材料(其通常具有高度的极性性质)常不充分地润湿隔膜材料。这由于电解质材料在电解质元素中不均匀的分布而导致电池组长时间填充电解质并可能导致电池组的低容量。

用于锂离子电池的隔膜通常为聚烯烃隔膜，其在低于200°C下熔化并且非常易燃。锂离子电池组以及锂一次电池和相同的电容器在它们的电解质中使用非常易燃的有机溶剂。非熔化和阻燃剂隔膜将帮助防止由内部短路、热逃逸或其它不安全条件导致的任何有机电解质燃烧的蔓延，其可能蔓延至电池组或电容器的较大面积并导致大爆炸。由于锂离子电池越来越多地用于高功率应用，例如用于电动车，因此对提高的安全性需要大大增加，这是由于这些车辆电池组的非常大的规模和高功率比。

适用于锂离子和其它产生电流的电池并且具有对内部短路和热逃逸提供安全性的阻燃剂和非熔化性质同时保持电解质和隔膜的化学稳定性的隔膜对电池组和电容器工业具有很大价值。

发明概述

为获得用于诸如电池和电容器的产生电流的电池的隔膜中增加的安全性，本发明在隔膜中使用诸如氧化铝的不易燃无机氧化物并且优选使用具有氟化基团的不易燃有机聚合物。本发明使用多种无机氧化物颗粒预处理、混合、涂覆、干燥和分层方法用于制备这种隔膜。

本发明的一个方面涉及用于产生电流的电池的隔膜，其中所述隔膜包含含有(a)至少50%重量比的氧化铝和(b)有机聚合物的微孔层，其中所述氧化铝通过有机酸处理而表面改性以形成改性氧化铝。在一个实施方案中，有机酸为磺酸，优选为芳基磺酸，并且更优选为甲苯磺酸。在一个实施方案中，有机酸为羧酸。在一个实施方案中，氧化铝包括通式Α1₂O₃·xΗ₂O的水合氧化铝，其中x为1.0至1.5，并且其中通过使用有机酸处理而使所述水合氧化铝以表面改性形成改性水合氧化铝。在一个实施方案中，改性氧化铝具有50%重量比至85%重量比的Al₂O₃含量。