具有取向的永久偶极矩的螯合剂的锂离子电池元件的制作方法
【专利说明】具有取向的永久偶极矩的螯合剂的锂离子电池元件 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求提交于2013年9月30日的U. S.临时专利申请序列号61/884, 763的 权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
[0002] 本公开大体涉及具有取向的永久偶极矩的螯合剂的锂离子电池元件。
【背景技术】
[0003] 二次或可再充电的锂离子电池用于多种固定和便携设备，例如在消费电子、汽车 和航空工业中所见到的。锂离子类电池由于多种原因已经获得流行，所述原因包括相对高 的能量密度，与其它类型的可再充电电池相比一般不出现任何记忆效应，相对低的内阻，以 及在不用时低的自放电速率。锂离子电池在它们的使用寿命内经受此类重复循环的能力使 得其成为有吸引力和可靠的电能储存设备。
【发明内容】
[0004] 锂离子电池元件的一个实例是包括平面多微孔聚合物膜（membrane)和键合到所 述平面多微孔聚合物膜上的螯合剂的锂离子电池隔膜，从而该螯合剂的永久偶极矩垂直于 平面多微孔聚合物膜的平面取向。
[0005] 本发明涉及下列[1]_[19]:
[1] . 一种制备平面锂离子电池元件的方法，该方法包含： 使用聚合物螯合剂制造锂离子电池元件，所述聚合物螯合剂包含具有通过连接基键合 到其上的螯合剂的聚合物；以及 在制造过程中，施加电极化场，使得所述螯合剂的永久偶极矩垂直于所述锂离子电池 元件的平面取向。
[2] .根据[1]所述的方法，其中： 所述制造锂离子电池元件包括在高于混合物中任何聚合物的熔点并且低于混合物中 高沸点流体的沸点的温度下通过挤出喷嘴的双缝口模头挤出所述混合物而形成片材，所述 混合物包括i)纯形式的聚合物螯合剂和高沸点流体或者ii)聚合物螯合剂，其他聚合物， 及高沸点流体；以及 所述施加电极化场包括向双缝口模头施加两个相对的DC电压差，以得到相对方向上 的两个电极化场。
[3] .根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件是多微孔隔膜膜的一个多微孔片材； 制造所述一个多微孔片材和施加电极化场包括在具有第一方向的施加电场作用下溶 剂浇注聚合物螯合剂的薄膜（film)，从而使得螯合剂的永久偶极矩在第一方向上在一个片 材中取向； 以及该方法进一步包含： 通过在具有第二方向的施加电场作用下溶剂浇注聚合物螯合剂的第二薄膜以制造第 二多微孔片材，该第二方向与第一方向相对，从而使得螯合剂的永久偶极矩在第二方向上 在第二多微孔片材中取向；以及 将第一和第二多微孔片材层压在一起形成多微孔隔膜膜。
[4] .根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件是多微孔膜； 制造多微孔膜和施加电极化场包括在施加电场作用下溶剂浇注聚合物螯合剂的薄膜， 从而使得螯合剂的永久偶极矩在垂直于多微孔膜的方向上取向；以及 该方法进一步包含： 在纵向方向上折叠所述多微孔膜，从而使两个一半的多微孔膜相互接触；以及 将两个一半的折叠多微孔膜层压在一起形成隔膜。
[5] .根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件是用于正极的薄膜； 制造薄膜和施加电极化场包括在具有第一方向的施加电场作用下溶剂浇注聚合物螯 合剂，从而使得螯合剂的永久偶极矩在第一方向上在所述薄膜中取向； 以及该方法进一步包含任何以下项： i) 通过在具有第二方向的施加电场作用下溶剂浇注聚合物螯合剂以制造第二薄膜， 该第二方向与第一方向相对，从而使得螯合剂的永久偶极矩在第二方向上在第二薄膜中取 向； 将第一和第二薄膜层压在一起； 将层压的第一和第二薄膜施加于电极结构；或 ii) 在纵向方向上折叠所述薄膜，从而使两个一半的所述薄膜相互接触； 层压两个一半的所述薄膜；以及 将所述薄膜施加于电极结构；或 iii) 从所述薄膜制造两个片材； 组装这两个片材，使得这两个片材的各自永久偶极矩指向相对方向；以及 将这两个组装的片材施加于电极结构。
[6].根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件是用作隔膜的多微孔膜；以及 制造多微孔膜和施加电极化场包括在施加电场存在下借助化学反应通过连接基将螯 合剂连接到聚合物。
[7] .根据[6]所述的方法，其进一步包含： 在纵向方向上折叠所述多微孔膜，从而使两个一半的多微孔膜相互接触并且各自一半 上的螯合剂的永久偶极矩沿相对方向取向；以及 将两个一半的多微孔膜层压以形成隔膜。
[8].根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件是涂覆的多微孔隔膜膜；以及 制造包括： 借助化学反应将螯合剂连接到聚合物，形成聚合物螯合剂；以及 在存在施加电场作用下，将聚合物螯合剂沉积到多微孔膜上，形成涂覆的多微孔隔膜 膜。
[9] .根据[8]所述的方法，其进一步包含任何以下项： i) 将两个涂覆的多微孔隔膜膜组装在一起，所述两个涂覆的多微孔隔膜膜具有各自螯 合剂沿着相对方向取向的永久偶极矩；或者 ii) 在纵向方向上折叠涂覆的多微孔隔膜膜，从而使两个一半的涂覆的多微孔隔膜膜 相互接触并且使各自一半上的螯合剂的永久偶极矩沿着相对方向取向；以及 将两个一半的涂覆的多微孔隔膜膜层压。
[10] ?根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件的制造涉及相分离和挤出；以及 所述施加电极化场在i)在挤出过程中，或ii)在挤出和拉伸过程之后的溶剂提取过程 中，或iii)在紧随挤出和拉伸过程之后的溶剂提取过程后的退火步骤过程中完成。
[11] .根据[1]所述的方法，其中： 所述锂离子电池元件是涂覆的电极结构；以及 制造包括： 借助化学反应将螯合剂通过连接基连接到聚合物，形成聚合物螯合剂；以及 在具有第一方向的施加电场作用存在下，将聚合物螯合剂沉积到电极结构的表面上， 从而形成涂覆的电极结构。
[12] .根据[1]所述的方法，其中所述聚合物是聚（1-烯烃）并且其中所述螯合剂是具 有永久偶极矩的任何冠醚、至少有一个醚氧原子被杂原子取代的冠醚、荚醚（podand)、套索 酉迷（lariat ether)、杯芳经（calixarene)或杯芳冠酉迷（calixcrown) 〇
[13] .根据[1]所述的方法，其中制造包括通过在高温下的静电涂覆方法施涂聚合物 螯合剂，以及施加电极化场包括在聚合物螯合剂冷却至室温的过程中施加静电场，由此永 久偶极矩的方向变成固定。
[14] .根据[1]所述的方法，其中： 所述制造锂离子电池元件包括在高于混合物中任何聚合物的熔点并且低于混合物中 高沸点流体的沸点的温度下通过挤出喷嘴的缝口模头挤出所述混合物，从而形成片材，所 述混合物包括i)纯形式的聚合物螯合剂和高沸点流体或者ii)聚合物螯合剂，其他聚合 物，及高沸点流体； 所述施加电极化场包括向所述缝口模头施加直流（DC)电压差，从而得到电极化场，由 此所述片材中的螯合剂的永久偶极矩沿着一个方向取向；以及 该方法进一步包括： i) 所述片材的单轴或双轴拉伸； ii) 伴随或不伴随极化的溶剂提取； iii) 使所述片材经受退火并且伴随极化而冷却；以及 iv) 折叠所述片材，使得至少一部分永久偶极矩沿着一个方向取向并且至少另一部分 永久偶极矩沿着与所述一个方向相对的方向取向，并且层压折叠的片材；或 V)从所述片材制造两个单独的片材，并且组装这两个片材，从而使这两个片材的各自 永久偶极矩指向相对方向。
[15] . -种锂离子电池隔膜，其包含： 平面多微孔聚合物膜；以及 螯合剂，其通过连接基键合到平面多微孔聚合物膜从而使螯合剂的永久偶极矩垂直于 平面多微孔聚合物膜的平面取向。
[16] . -种锂离子电池元件，其包含： 平面多微孔隔膜或平面电极结构；以及 施涂到平面多微孔隔膜的表面或平面电极结构的表面上的涂层，该涂层包括： 多微孔聚合物基质；以及 螯合剂，其通过连接基键合到多微孔聚合物基质从而使螯合剂的永久偶极矩垂直于平 面多微孔隔膜的表面或平面电极结构的表面取向。
[17] . -种锂离子电池，其包含： 正极； 负极；以及 浸泡在电解质中的平面多微孔隔膜，所述平面多微孔隔膜放置于正极和负极之间并且 包括： 多微孔聚合物基质；以及 螯合剂，其通过连接基键合到多微孔聚合物基质从而使螯合剂的永久偶极矩垂直于平 面多微孔隔膜的平面取向。
[18] .根据[17]所述的锂离子电池，其中： 所述多微孔聚合物基质包括两个组装在一起的薄膜或折叠在一起的两半，每个薄膜或 每个一半的薄膜包括多种分别键合到其上的螯合剂； 键合到两个薄膜或两个一半的薄膜的一个上的多种螯合剂的永久偶极矩平行于锂离 子电池的内电场取向；以及 键合到两个薄膜或两个一半的薄膜的另一个上的多种螯合剂的永久偶极矩反平行于 锂离子电池的内电场取向。
[19] .根据[18]所述的锂离子电池，其中平行取向的永久偶极矩和反平行取向的永久 偶极矩的分布是50/50。 附图简述
[0006] 通过参阅下列详细描述和附图，本公开实施例的特征和优点会变得显而易见，其 中类似的附图标记对应于类似的元件，尽管可能并不相同。为了简便起见，结合它们出现的 其它附图，具有前述功能的附图标记或特征可以或可以不进行描述。
[0007] 图1为捕集锰阳离子的冠醚的示例，该冠醚具有永久偶极矩；
[0008] 图2是包括隔膜实例的锂离子电池的半示意性剖面图，所述隔膜包含具有取向的 永久偶极矩的螯合剂；
[0009] 图3是包括另一个包含两个单独层的隔膜实例的另一个锂离子电池实例的半示 意性剖面图，每个单独层包括具有取向的永久偶极矩的螯合剂，其中单独层彼此相对放置， 从而使它们各自的取向永久偶极矩处于相对方向；
[0010] 图4是包括一个包括具有取向的永久偶极矩的螯合剂的涂层的正极实例的另一 个锂离子电池实例的半示意性剖面图；
[0011] 图5是包括一个包括由两个薄膜形成的涂层的正极实例的又一个锂离子电池实 例的半示意性剖面图，每个薄膜包括具有取向的永久偶极矩的螯合剂，其中所述薄膜彼此 相对放置，从而使它们各自的取向永久偶极矩处于相对方向；以及
[0012] 图6至12是示例本文公开方法的不同实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0013] 锂离子电池通常通过可逆地在负极（有时称作阳极）和正极（有时称作阴极）之 间传递锂离子而工作。负极和正极位于浸泡在适合传导锂离子的电解质溶液中的多孔聚合 物隔膜的相对侧。每个负极和正极还被各自的集流器所容纳。与两个电极相关的集流器通 过可中断的外部电路连接，该电路使得电流在电极之间通过，从而电平衡锂离子的相关迀 移。另外，负极可以包括