[发明专利]用于可再充电电化学电池的碱金属离子传导性分隔体组件

说明书

本发明涉及一种碱金属离子传导性分隔体组件，其包括多孔膜(A)和置于多孔膜(A)的一个主要表面上的碱金属离子传导膜(B)，其中碱金属离子传导膜(B)包含通式(I)的无机材料：(L¹⁺_{[(12-u)2+wv]-xm-[(3-y)3+yn]-[(2-z)5+zp]}I^m+_x)(A³⁺_3-yaⁿ⁺_y)(B⁵⁺_2-zb^p+_z)(O^2-_12-uD^v-_w)(I)。本发明进一步涉及一种制备该碱金属离子传导性分隔体组件的方法和一种包括该碱金属离子传导性分隔体组件的可再充电电化学电池。

二次电池组、蓄电池或“可再充电电池组”仅仅是可在需要时在产生和使用后可储存电能的一些实施方案。由于显著更好的功率密度，近期已由水基二次电池组转向开发其中电池中的电荷传输通过锂离子实现的那些电池组。

然而，具有碳阳极和基于金属氧化物的阴极的常规锂离子蓄电池的能量密度受到限制。锂-硫电池和碱金属-氧电池开启了就能量密度而言的新视野。在锂-硫电池中，硫在硫阴极中经由多硫化物离子还原成S^2-，其在电池充电时再次氧化，从而形成硫-硫键。在碱金属-氧电池中，碱金属如锂或钠在非水电解质中被大气氧氧化，从而形成氧化物、过氧化物或超氧化物(superoxide)，即形成Li₂O或Li₂O₂，而在充电期间，所述氧化物、过氧化物或超氧化物氧化成氧。

在电化学电池中，带正电荷和带负电荷的电极组合物被不导电的层(称为分隔体)彼此机械隔开，以避免内部放电。由于其微孔结构，许多常用的分隔体如聚合物膜或无纺布不仅能传输正离子电荷如锂阳离子(作为在电化学电池操作期间连续取出电流的基本前提)，而且使得多硫化物离子或可还原的荷电氧物种从阴极不希望地迁移至金属阳极。为了避免这些寄生过程，已讨论了替代的分隔体。已提出并研究了使用固态锂电解质如固态Li离子导体作为电化学电池中的分隔体。该类分隔体必须满足的基本要求是对这两种活性电极组合物的化学和电化学稳定性、抗枝晶生长性和高电池温度、对流动性电极组分和液体电解质组分的不透性，和即使在室温和更低下的高离子传导性。

WO2005/085138和WO2009/003695描述了数种具有石榴石结构的离子导体。

Abstract#316，223rd.ECSMeeting2013描述了Li₇La₃Zr₂O₁₂薄膜在铝氧化物基材上沉积期间的铝迁移。

US8,323,817描述了一种伽伐尼电池，其包含不透水的碱金属离子传导性陶瓷膜作为分隔体。

US2012/0270112描述了一种复合固体电解质，其包含作为无机活性金属离子导体的连续基体的整料型固体电解质基体组分和用于消除固体电解质中的通孔孔隙率的过滤组分。

WO2012/013603描述了一种无机电解质膜，其中所述膜是由电绝缘金属或准金属氧化物制成的且具有末端开放的通孔或通道的多孔膜，且其中电解质被局限在所述膜的孔中。

由文献已知的包含碱金属离子传导性材料的分隔体就该分隔体所需的一种或多种性质而言仍存在不足，例如低厚度、低单位面积的重量、在电池组加工或操作期间就金属枝晶生长而言的良好机械稳定性、良好耐热性、良好离子传导性和对无机溶剂的完全不透性。已知分隔体的一些缺点最终导致包含它们的电化学电池的寿命缩短或者性能受限。此外，分隔体原则上必须对阴极材料、阳极材料和电解质不仅机械稳定，而且化学稳定。在锂-硫电池领域中，希望还防止特别地由于多硫化物离子从阴极迁移至阳极而导致的锂-硫电池过早电池衰亡的分隔体。

因此，本发明的目的是提供一种用于长寿命电化学电池，尤其是锂-硫电池或碱金属-氧电池的廉价分隔体，其具有相对于已知分隔体的一种或多种性质而言的优点，特别是显示出足够的离子传导性、高热稳定性和良好机械性能的分隔体。

该目的由一种碱金属离子传导性分隔体组件实现，其包括：

(A)多孔膜(A)，其包含至少一种无机、电绝缘的和非碱金属离子传导性材料，其具有从该膜的一个主要表面延伸至相对的主要表面的通孔，和