防火锂离子电池

本发明涉及一种用于锂离子电池的不可燃且电极支撑的沸石隔膜和有机电解质，以及包括电解质和电极支撑的沸石隔膜的锂离子电池。

背景技术：

1、锂离子电池是通常用于便携式电子设备和电动车辆的可充电电池。当受到电、热或机械压力时，锂离子电池有时会着火并爆炸。在40℃以上的温度下，锂离子电池通常具有有限的循环寿命，并且可能需要大量冷却来维持低于此温度的运行。

技术实现思路

1、本发明描述了一种用于锂离子电池的不可燃且电极支撑的沸石隔膜、一种用于锂离子(li-ion)电池的有机电解质以及包括这些部件的锂离子电池。还描述了制造电极支撑的硅质岩隔膜的可扩展的刮涂方法。

2、在第一总体方面，锂离子电池隔膜包括限定颗粒间孔隙的基板和基板表面上的沸石涂层。沸石涂层包括沸石颗粒。沸石颗粒是疏水性的，并且其平均直径小于基板的颗粒间孔隙的平均孔径，使得一些沸石颗粒位于一些颗粒间孔隙中。

3、第一总体方面的实施方式可包括一个或多个以下特征。

4、在一些实施方式中，基板包括锂镍锰钴氧化物(nmc)。沸石颗粒通常具有至少99原子％(atom％)硅的金属含量。在一个实例中，沸石颗粒是硅质岩颗粒。颗粒间孔隙的平均孔径可以在约2.5μm和约2.8μm之间，沸石颗粒的平均粒径可以在约1.5μm和约2.5μm之间。

5、在一些实施方式中，沸石涂层直接在基板的表面上形成。沸石涂层的厚度通常在30μm至50μm的范围内。沸石颗粒限定平均孔径为约600nm至约800nm的颗粒间孔隙以及限定平均孔径为约0.5nm至约0.6nm的颗粒内孔隙。沸石涂层包括小于1wt％的有机组分。沸石颗粒的孔隙率通常在35％和40％之间。

6、在第二总体方面，锂离子电池包括第一总体方面的锂离子电池隔膜，其中基板为第一电极。锂离子电池包括与沸石涂层直接接触的第二电极，以及与第一电极、沸石涂层和第二电极接触的电解质。第二总体方面的实施方式可以包括一个或多个以下特征。

7、在某些实施方式中，电解质是不可燃的。电解质是盐浓缩电解质，其包括溶解在溶剂中的盐。合适的溶剂包括磷酸三甲酯(tmp)、磷酸三(三氟乙基)酯(tfep)、磷酸三乙酯(tep)、甲基膦酸二甲酯(dmmp)、乙基膦酸二乙酯(deep)或其组合。合适的盐包括碳酸盐和锂双氟磺酰亚胺(lifsi)。电池是不可燃的。

8、在第三总体方面，制造第一总体方面的锂离子电池隔膜包括形成包括沸石颗粒的浆料，将浆料刮涂在基板上，并干燥浆料以产生锂离子电池隔膜。

9、第三总体方面的实施方式可包括一个或多个以下特征。

10、沸石颗粒的金属含量为至少99原子％硅。基板可以包括锂镍锰钴氧化物(nmc)。

11、与市面上使用的聚合物隔膜相比，电极支撑的沸石隔膜具有多孔晶体结构，对盐浓缩电解质具有优异的润湿性。更高的润湿性允许电解质更均匀地接触阳极和阳极-隔膜界面，从而形成更均匀的固体电解质界面(sei)并更容易接触阳极材料。这可以在降低sei和电荷转移电阻的方面产生明显更好的电化学性能，进而导致隔膜更高的容量保持率。

12、具有电极支撑的沸石隔膜和盐浓缩电解质的电池在高达65℃的温度下也表现出稳定的性能，因此可在热应力条件下提供稳定的性能。由于其较高的润湿性，这些电极支撑的沸石隔膜有助于阴极、阳极和隔膜材料的更快速润湿，从而提高了具有这种盐浓缩电解质的电池的预计生产率。

13、本文所述的不可燃的隔膜的优点包括能够具有更大润湿角的高表面能，因此具有更好的比容量保持率。与目前的锂离子电池相比，具有这些隔膜的锂离子电池在更高的工作温度下具有更长的循环寿命和更快的充电速率。此处所描述的锂离子电池也不容易过热，因此通常需要不太复杂的冷却系统。因此，与目前的锂离子电池相比，这些电池可以以更低的成本生产并且操作更为简单。应用包括用于电网规模储能、电动车辆、电动工具和移动通信目的的锂离子电池。

14、本公开主题的一个或多个实施例的细节在附图和说明书中阐述。根据说明书、附图和权利要求书，本主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。

技术特征：

1.一种锂离子电池的隔膜，其包括：

2.根据权利要求1所述的隔膜，其中基板包括锂镍锰钴氧化物(nmc)。

3.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石颗粒具有至少为99原子％硅的金属含量。

4.根据权利要求3所述的隔膜，其中沸石颗粒是硅质岩颗粒。

5.根据权利要求1所述的隔膜，其中颗粒间孔隙的平均孔径在约2.5μm和约2.8μm之间。

6.根据权利要求5所述的隔膜，其中沸石颗粒的平均粒径在约1.5μm和约2.5μm之间。

7.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石涂层直接在基板的表面上形成。

8.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石涂层的厚度在30μm至50μm的范围内。

9.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石颗粒限定平均孔径为约600nm至约800nm的颗粒间孔隙。

10.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石颗粒限定平均孔径为约0.5nm至约0.6nm的颗粒内孔隙。

11.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石涂层包括小于1wt％的有机组分。

12.根据权利要求1所述的隔膜，其中沸石颗粒的孔隙率在35％和40％之间。

13.根据权利要求1所述的隔膜，其中隔膜是不可燃的。

14.一种锂离子电池，其包括：

15.根据权利要求14所述的锂离子电池，其中电解质是不可燃的。

16.根据权利要求15所述的锂离子电池，其中电解质包括溶解在溶剂中的盐。

17.根据权利要求16所述的锂离子电池，其中溶剂包括磷酸三甲酯(tmp)、磷酸三(三氟乙基)酯(tfep)、磷酸三乙酯(tep)、甲基膦酸二甲酯(dmmp)、乙基膦酸二乙酯(deep)或其组合。

18.根据权利要求16所述的锂离子电池，其中盐包括碳酸盐。

19.根据权利要求16所述的锂离子电池，其中盐包括双氟磺酰亚胺锂(lifsi)。

20.根据权利要求14所述的锂离子电池，其中电池是不可燃的。

21.一种制造权利要求1所述的锂离子电池的隔膜的方法，该方法包括：

22.根据权利要求21所述的方法，其中沸石颗粒的金属含量为至少99原子％硅。

23.根据权利要求21所述的方法，其中基板包括锂镍锰钴氧化物(nmc)。

技术总结
一种锂离子电池隔板，其包括限定颗粒间孔隙的基板和基板的表面上的沸石涂层。沸石涂层包括沸石颗粒。沸石颗粒是疏水性的，并且其平均直径小于基板的颗粒间孔隙的平均孔径，使得一些沸石颗粒位于一些颗粒间孔隙中。隔膜是不可燃的。在锂离子电池中，基板是第一电极，第二电极与沸石涂层直接接触。锂离子电池包括不可燃的盐浓缩电解质，并且沸石涂层对电解质具有高润湿性。锂离子电池是不可燃的。

技术研发人员：J·林,K·拉斐兹
受保护的技术使用者：亚利桑那州立大学董事会
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12