[发明专利]多孔隔板提供离子隔离的电化学电池

说明书

本发明提供了电化学电池，包括对电解质中某些材料可渗透并且对其他材料不能渗透的隔板。本发明还提供了形成这种隔板的方法。隔板的选择性渗透性通过其特定的孔直径和该直径的窄分布来实现。具体地，允许负责电化学电池中的离子传输的物质通过隔板，而另一物质被阻挡，从而防止电池的降解。例如，允许含有锂离子的物质进入可充电电池，而含有过渡金属的一种或多种物质被阻挡。在一些实施方式中，隔板可包括膜层，其具有至少90％的孔的直径为约0.1纳米至1.0纳米。膜层可以是独立层或由膜支撑件支撑。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年9月28日提交的美国临时申请No.62/401,046的优先权，出于所有目的其全部内容在此并入。

发明背景

电池技术的突破催化了电池供电设备(如移动电子设备和电动汽车)的普及和可用性的快速增长。这些突破大大降低了电池价格，扩大了材料选择范围，并为新应用和市场打开了大门。例如，近年来全球注册的新型插电式混合动力汽车和纯电动汽车(PHEV和BEV)急剧增加。提高电池的能量和功率密度对于进一步扩大该市场至关重要。延长电池的使用寿命是另一个重要方面，特别是在移动电子设备和电动汽车常见的激进工作循环下工作时。

电池的寿命一直是一个严重的问题，特别是对于使用大且昂贵的电池的电动车辆。由于过早的容量衰减导致的范围减少被视为该市场快速增长的主要障碍。容量衰减和相关的上升的电池阻抗起源于与正极释放的过渡金属污染负极相关的机制。例如，在典型的锂离子电池中，这些金属从正极中浸出，迁移穿过隔板，并扰乱负极上的保护表面膜。当使用富含锰的材料(例如尖晶石和层状锂锰氧化物(LMO)和高压镍锰氧化物(NMO))作为正极时，这种容量衰减最为严重。其他材料，例如镍锰钴氧化物(NMC或NCM)、锂钴氧化物(LCO)和磷酸铁锂(LFP)，同样易受这种衰减机制的影响。传统的隔板不会阻止过渡金属迁移到负极。需要新的材料和方法来保护电化学电池免受容量衰减，并且更一般地，防止所选物质从一个电极自由地迁移到另一个电极。

发明内容

本发明提供了电化学电池，包括对电解质中某些材料可渗透并且对其他材料不能渗透的隔板。本发明还提供了形成这种隔板的方法。隔板的选择渗透性通过其特定的孔直径和围绕该直径的窄孔径分布来实现。具体地，允许在电化学电池中负责期望的离子传输的物质通过隔板，而另一物质被阻挡从而防止电池的降解。例如，在可再充电电池中，允许包括碱金属阳离子(例如锂离子或钠离子)的物质通过隔板，同时阻挡含有过渡金属的一种或多种物质。膜层可以是独立层，由膜支撑件支撑，或由其中一个电极支撑。