[发明专利]有机/无机复合多孔隔板、其制造方法以及电化学装置

说明书

本发明专利申请是基于2005年12月22日提交的发明名称为“有机/无机复合微孔膜和由其制造的电化学装置”的中国专利申请200580044583.7号的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种与传统聚烯烃基隔板相比能表现出优异的热安全性、电化学安全性和锂离子传导性以及高电解质膨胀度的新型有机/无机复合多孔隔板，和确保安全性并具有改进质量的包含所述有机/无机复合多孔隔板的电化学装置。

背景技术

近年来，能量储存技术越来越引起兴趣。电池已经广泛地用作便携式电话、摄像放像机、笔记本计算机、个人计算机和电车中的能源，由此引起对其大量的研究和开发。在此方面，电化学装置是受极大关注的主题。特别地，可充电二次电池的开发是注意的焦点。

在目前使用的二次电池中，在1990年代早期开发的锂二次电池具有比使用水性电解质的常规电池(例如Ni-MH电池、Ni-Cd电池和H₂SO₄-Pb电池)更高的驱动电压和能量密度，因此在二次电池领域中锂二次电池受到注意。但是，由于使用有机电解质产生的着火和爆炸，所以锂二次电池具有安全性相关的问题，并且用复杂的方法制造。近来出现的锂离子聚合物电池解决了锂离子二次电池的上述缺点，这样成为下一代电池的最有效的选择之一。但是，与锂离子二次电池相比，这样的锂离子聚合物二次电池仍具有低的容量。特别是，它们在低温下表现出不足够的放电容量。因此，对锂离子二次电池存在迫切的改进需求。

锂离子电池的制造是将具有包括间隙体积的晶体结构的阴极活性材料(例如LiCoO₂)和阳极活性材料(例如石墨)涂布到相应的集电器(即分别为铝箔和铜箔)上以提供阴极和阳极。然后在两个电极之间插入隔板以形成电极组件，将电解质注射到该电极组件中。在电池充电循环期间，嵌入到阴极活性材料的晶体结构中的锂脱出，随后嵌入到阳极活性材料的晶体结构中。另一方面，在放电循环期间，嵌入到阳极活性材料中的锂再次脱出，然后嵌回到阴极的晶体结构中。当重复充电/放电循环时，锂离子在阴极和阳极之间往复。就这点而言，锂离子电池也称作摇椅电池。

许多电池生产商已经生产了这样的电池。但是，取决于几种因素，大部分锂二次电池具有不同的安全特性。电池安全的评价和确保是要考虑的非常重要的事情。特别地，应保护使用者不被故障电池伤害。因此，根据安全标准，电池安全在电池着火和燃烧方面受到严格限制。

已经进行许多尝试以解决电池安全相关的问题。但是，还没有解决由于外部冲击所造成的内部短路，进而产生的电池着火(特别是在消费者过度使用的电池的情况中)。

近年来，美国专利第6,432,586号公报公开了一种涂布了如碳酸钙、二氧化硅等无机层的聚烯烃基隔板，以防止电池内部由枝晶生长产生的内部短路。但是，当由于外部撞击电池经历内部短路时，仅使用传统无机粒子的聚烯烃基隔板不能提供显著改进的电池安全性。在该隔板中没有防止该问题的机制。另外，上述专利公开的无机粒子层没有特别限定厚度、孔尺寸和孔隙率。并且，在该隔板中使用的无机粒子没有锂传导性，这样使电池质量显著下降。

发明内容

本发明人发现，使用(1)聚烯烃基隔板基材、(2)无机粒子和(3)粘合剂聚合物形成的有机/无机复合多孔隔板，改进了传统聚烯烃基隔板的热安全性。另外本发明人已经发现，因为有机/无机复合多孔隔板在聚烯烃基隔板基材中和由涂布在隔板基材上的无机粒子与粘合剂聚合物形成的活性层中都具有孔结构，所以提供增加的空间体积，液体电解质渗入该空间体积中，从而改进了锂离子传导性和电解质膨胀度。因此，有机/无机复合多孔隔板可以改进使用所述有机/无机复合多孔隔板作为隔板的电化学装置的质量和安全性。

本发明人还发现，当使用具有衍生自高介电常数的压电性的无机粒子、和/或具有锂离子传导性的无机粒子作为形成活性层的无机粒子时，即使由于外部撞击使电池中的隔板破裂，由该无机粒子也可以防止两个电极之间的完全短路。由无机粒子的锂传导性和/或压电性产生的、由于电流流动而逐渐降低电池电压，也可以解决如电池爆炸等安全性相关的问题。

因此，本发明的一个目的是提供一种有机/无机复合多孔隔板、其制造方法和包含它的电化学装置。