CN107210410A - 有机锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有高能量密度和高功率密度的有机锂电池领域。特别地,本发明涉及一种有机锂电池及其制造方法,该有机锂电池包括由氧化还原有机化合物制得的正极以及由双向拉伸聚丙烯制成的多孔隔离物。
Description
本发明涉及有机锂电池技术领域,该有机锂电池具有高的能量密度和功率密度。特别地,本发明涉及有机锂电池及其制造方法,所述有机锂电池包括基于氧化还原有机化合物的正极和由双向拉伸聚丙烯制成的多孔隔离物。
锂电池已经成为包括便携应用的很多设备中必不可少的部件,这些便携应用特别例如为移动电话、电脑和轻量级设备;或者略重的应用,例如两轮交通工具(自行车、轻型摩托车)或四轮交通工具(电动或混合动力汽车)。人们还对锂电池进行了广泛的研究以用于固定能量存储的领域。
锂金属电池包括至少一个负极和至少一个正极,在二者之间放置有浸渍了液体电解质或者固体聚合物电解质的隔离物,该电解质本身既提供电极的物理隔离作用又提供锂离子传输作用。负极由锂金属片或锂合金片(任选地通过集电体负载)构成;正极由负载有电极材料的集电体构成,所述电极材料包含至少一种能够可逆地嵌入锂离子的正极活性材料、任选的作为粘合剂的聚合物(例如聚(偏二氟乙烯)或PVDF)和/或任选的产生电子传导性的试剂(例如炭黑)。液体电解质例如由在选择的溶剂的溶液中的锂盐(例如LiBF4、LiClO4,LiPF6等)构成,以优化离子的传输和解离。常规电解质溶剂(例如碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、环丁烷、二甲氧基乙烷、四氢呋喃、1,3-二氧戊环等)在标准条件下,在约1-1.5mol/l的锂盐下饱和。就其本身而言,隔离物必须提供两个电极之间的完全隔离,以防止任何短路的风险,其必须具有:
·适当的机械强度,以便耐受由于活性材料在充电和放电循环期间的体积变化而产生的应力,
·足够的耐化学性,因其浸没在高腐蚀性溶液(即电解质)中,由此以确保其能长时间保持;以及
·适当的多孔结构,以便能够实现电解质阴离子和阳离子的扩散,并且防止活性材料从一个电极到另一个的任何传输。
隔离物通常由不传导电子的多孔材料构成,例如基于聚烯烃(例如聚乙烯)的聚合物材料或纤维(例如玻璃纤维或木纤维)制成的聚合物材料。
在电池的运行期间,锂离子通过电解质从一个电极传递到另一个电极。在电池放电期间,一定量的锂与来自电解质的正极活性材料反应,并且等量的锂从负极的活性材料引入电解质中,因此锂的浓度在电解质中保持恒定。通过外部电路由负极提供电子以补偿锂向正极中的嵌入。充电期间,发生相反的现象。
选择锂电池的各种成分以便以尽可能低的成本生产具有高能量密度、具有良好循环稳定性并且能够安全运行的电池。
由于历史原因,也是由于电化学性能水平的原因,目前商业化的技术基于实际上仅仅只使用了无机电极材料,它们主要基于过渡金属,例如Co、Mn、Ni或Fe。然而,这些无机电极材料(例如LiCo O2、LiMnO4、LiFePO4、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn1.5O4等)显示出许多缺点,例如电池***的风险、毒性高、回收困难、成本高和/或比容量低。此外,这些无机材料通常由地质(即不可再生)来源的资源制备,并且在其工艺中是耗能的。鉴于对电池的生产量预测(锂离子电池每年数十亿台),从长远来看,没有这些无机电极材料的风险很大。此外,没有任何现有技术符合要求,而且欧洲级的新环境标准也在不断出现(参见http://ec.europa.eu/env ironment/waste/batteries/,官方指示2006/66/EC)。
在这种情况下,可以预期有机锂电池的开发是具有某些潜力的,该有机锂电池包括作为正极活性材料的氧化还原有机结构(例如,氮氧化物衍生物、多芳族化合物),也就是说,能够进行一个或多个可逆的氧化/还原反应(特别是与电极交换电子,同时与锂离子结合)的有机结构。首先,这些氧化还原有机结构展示的优点包括可能从可再生资源中获得的化学元素(特别是C、H、N、O、S),从而使该结构更加丰富。其次,在较温和的温度下,通过简单燃烧就可以很容易地销毁它们。此外,可以通过适当的官能化来调节(例如掺入靠近氧化还原中心的吸附基团)它们的电化学性质(离子和电子传导性质、氧化电势的值、比容量)。最后,氧化还原有机结构的相对密度通常约为1g/cm3;它们比无机电极材料轻,因此可以获得轻量锂电池。
80年代开始,有机锂电池的研究工作仅是寻找新型的氧化还原有机结构,并且已经表明为了使氧化还原有机结构能够用作正极活性材料而所需的基本性能是电活性、可逆性和电解质中的实际不溶性。
举例来说,例如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔或聚丙烯酰氧基(TEMPO)(TEMPO:2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基氧基)等的π-共轭导电聚合物已被作为正极材料用于锂电池中。然而,这些氧化还原有机结构通常表现出大约100mAh/g的低比容量,特别是实际上它们在氧化/还原反应期间不能使每个单体交换多于0.5个电子。
使用醌衍生物作为正极活性材料也引起了越来越多的关注,所述醌通常以芳族核上存在的两个羰基官能团为特征。举例来说,1,4-苯醌和9,10-菲醌(其具有两个羰基官能团)分别具有约500mAh/g和256mAh/g的高理论比容量。此外,它们理论上可以进行双电子氧化/还原反应。特别地,JPS5686466公开了一种有机锂电池,其包括由锂金属构成的负极;包含9,10-菲醌作为活性材料的正极;在碳酸丙烯酯溶液中由LiClO4组成的液体电解质;和浸渍有所述液体电解质的隔离物。电池在放电容量方面表现出良好的稳定性。然而,氧化/还原反应的可逆性不足,平均放电电压相对较低(即,约为2-2.5伏)。
因此,为了提高有机锂电池的电化学性能水平,本领域已经提出了使用包含更多数量的羰基官能团(例如三个或四个羰基官能团)的醌。例如,Yao等人[Int.J.ofElectrochem.Sci.,2011,6,2905]已经描述了一种有机锂电池,其包括由锂金属片构成的负极;由负载有电极材料的铝制集电体构成的正极,该电极材料包含作为活性材料的5,7,12,14-五十六酮(PT),作为产生电子传导性试剂的乙炔黑,作为粘合剂的聚四氟乙烯;由双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)以1mol/l溶于γ-丁内酯溶液而构成的液体电解质;以及由浸渍有所述液体电解质的玻璃纤维制成的隔离物。然而,这种电池的耐循环性较低,因为初始比容量为大约300mAh/g,并且在10个循环后降至170mAh/g。这种不良的循环稳定性主要与正极活性材料(PT)在液体电解质(参考γ-丁内酯)的溶剂中的溶解度有关。这是因为大多数低摩尔质量(即摩尔质量小于3000g/mol)的氧化还原有机结构可溶于液体电解质的溶剂。因此,当使用氧化还原有机结构作为电极活性材料时,集电体和所述活性材料之间的电子传导性变得不足,反应性降低。此外,可能涉及氧化/还原反应的活性材料的浓度降低,导致电池的容量下降。
本领域已经提出了其他基于二氢吲哚-3-酮的氧化还原有机结构,例如靛蓝染料,也称为靛蓝或2-(1,3-二氢-3-氧代-2H-吲哚-2-基亚基)-1,2-二氢-3H-吲哚-3-酮。尤其是Yao等人[Chem.Letters,2010,39,950]描述了一种有机锂电池,其包括由锂金属片构成的负极;由负载有电极材料的铝制集电体构成的正极,该电极材料包含作为活性材料的靛蓝,作为产生电子传导性试剂的乙炔黑,作为粘合剂的聚四氟乙烯;由六氟磷酸锂(LiPF6)以1mol/l溶于碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯的混合物中而构成的液体电解质;以及浸渍有所述液体电解质的隔离物。再次,约10个循环后,比容量从200mAh/g降至20mAh/g,显示出差的循环稳定性。
为了避免活性材料溶解在电解质中,专利申请EP 2 546 907 A1描述了一种有机锂电池的制造,该有机锂电池包括由锂金属片构成的负极;由负载有电极材料的铝制集电体构成的正极,该电极材料包含对应于下式(1)的芘-4,5,9,10-四酮型氧化还原有机结构:
作为产生电子传导性试剂的乙炔黑,作为粘合剂的聚四氟乙烯;由六氟磷酸锂(LiPF6)以1mol/l溶于碳酸亚丙酯和碳酸甲乙酯的混合物中而构成的液体电解质;以及浸渍有所述液体电解质的的聚乙烯制成的多孔隔离物。有机锂电池的性能水平在耐循环性和平均放电电压方面得到改善。然而,对应于式(1)的氧化还原有机结构的制备是复杂的(即,它包含大量的步骤)且冗长的。
同时,专利申请EP 0 492 942 A2描述了基于聚丙烯和聚乙烯的多孔双向拉伸膜的制造及其在大量应用中的用途,例如过滤器、电化学电池的隔离物、反渗透膜、防水膜、用于机动车辆配件的涂层、用于医院和电子洁净室中的手术帘和防护服等。然而,并未对由聚合物材料制成的所述多孔双向拉伸膜进行优化以特别用于锂电池。这是因为隔离物取决于既定应用所需的性能水平。因此,如上所述的多孔膜不能保证足够的电化学稳定性和足够的机械强度(例如,孔的尺寸大于5μm),并且不能保证放电容量在多个循环中是稳定的。这是因为,由于其孔尺寸可达到约20μm的量级值,所以预测这种隔离物不仅导致了氧化还原有机结构的扩散,而且还导致出现短路现象,除非其具有非常高的厚度,这则导致所设想的电池的体积能量密度显著降低。此外,未说明所述隔离物与何种类型的溶剂相容。
因此,本发明的目的是克服上述现有技术的缺点,并提供一种经济的有机锂电池,其采用相对便宜的、可回收利用且无毒的原材料,并且其表现出良好的电化学性能水平,特别是在耐循环性方面。
通过下文所描述的本发明来实现这些目的。
因此,本发明的第一主题是一种有机锂电池,其包括:
-包含锂金属或锂金属合金的负极,
-正极,其任选地由集电体支撑,所述正极包含至少一种氧化还原有机结构,至少一种聚合物粘合剂P1和至少一种产生电子传导性的试剂,所述氧化还原有机结构不同于选自元素硫S8和包含至少一个S-S键的含硫有机化合物的含硫试剂,以及
-浸渍有电解质的多孔隔离物,
所述有机锂电池的特征在于所述多孔隔离物为至少包含聚丙烯的双向拉伸隔离物,并且所述电解质包含至少一种低摩尔质量的液体线性或环状聚醚和至少一种锂盐L1。
因此,本专利申请的发明人发现,采用至少包含聚丙烯的双向拉伸隔离物,联合有机锂电池电解质中存在的低分子量的液体线性或环状聚醚,能够显著地提高所述电池的电化学性能水平,特别是大量循环的放电过程中的比容量的稳定性,并且优化锂离子的传输。
本发明的有机锂电池中所采用的双向拉伸隔离物还能够确保电极之间的电隔离,同时防止或限制电池正极中氧化还原有机结构的扩散。此外,所述隔离物相对于电池的电解质是稳定的,无论所述电解质是液体形式或固体形式(例如凝胶化聚合物电解质)。
此外,本发明的有机锂电池具有能够采用各种氧化还原有机结构的优点,而不必特别通过添加新的官能团来改变其结构。
本发明中,“低摩尔质量的液体线性或环状聚醚”是指摩尔质量小于或等于约10,000g·mol-1的液体线性或环状聚醚,优选小于或等于约2,000g·mol-1,更优选小于或等于约600g·mol-1。
在本发明的具体实施方案中,隔离物的厚度在约5μm至约50μm的范围内,优选约10μm至约40μm,更优选约10μm至约30μm。
这是因为隔离物不能太薄,以在循环期间具有良好的机械强度和电化学性质,从而避免短路并容纳足够量的电解质。然而,它也不能太厚,否则电池将在重量和体积能量密度(质量效应)方面以及在高速或低温下的性能水平(极化效应)方面受到不利影响。
根据本发明的优选实施方案,多孔隔离物的孔隙率大于或等于约50体积%,优选大于或等于约55体积%,更优选大于或等于约60体积%。
具体实施方案中,多孔隔离物具有平均尺寸约50nm至3μm,优选约50nm至1μm,更优选约100nm至500nm的孔。
借助于这样孔隙率,所述隔离物可以容易地被电解质浸渍,同时保证足够的机械强度。
这是因为本发明的多孔隔离物的刺穿强度至少约30牛顿,并且优选地至少约40牛顿。
此外,本发明的多孔隔离物的断裂伸长量约5mm,优选为至少约10mm。在环境温度下,使用金属冲头在刺穿测试期间测量该伸长量。
多孔隔离物的Gurley型孔隙率可以为约50s/100cm3至500s/100cm3,优选大约50s/100cm3至400s/100cm3。Gurley型孔隙率PGurley表示100cm3空气通过1平方英寸隔离物所用的时间(以秒计)。Gurley型孔隙率PGurley反映了隔离物的渗透性:PGurley值越低,通过隔离物的交换越有利,从而促进物质更多地扩散。
无论多孔隔离物的厚度大小,其可以具有严格地小于约15%,优选严格地小于约10%的纵向热收缩率(即纵向收缩率)和/或横向热收缩率(即横向收缩率)(在100℃下测量1小时的收缩率)。
这是因为双向拉伸的多孔隔离物必须具有足够低的热收缩率以便能够耐受有机锂电池中的温度升高,由此防止电池由于不受控制的加热而损坏。这进一步地有利于其在制造电池的方法中的应用。
本发明中,表述“双向拉伸”是指通过沿纵向(加工方向)和与纵向横切的方向拉伸而获得隔离物。
多孔隔离物的聚丙烯可以是聚丙烯(PP)的均聚物或聚丙烯的共聚物。
多孔隔离物可以额外地包含选自聚乙烯、聚乙烯的共聚物和它们的混合物之一的聚合物材料。
当隔离物包含除聚丙烯之外的其他聚合物时,隔离物中包含占隔离物总重量至少90重量%的聚丙烯,优选至少95重量%的聚丙烯。
本发明的多孔隔离物可以仅由聚丙烯构成。
多孔隔离物优选不含任何无机填料和/或任何陶瓷。
多孔隔离物优选地不包含与正极的活性材料或其在循环过程中还原的衍生物反应的组分。
多孔隔离物可以为单层或多层。当其为多层时,优选为双层,以便具有尽可能低的厚度,但不能损害其机械性能。
对于所使用的电解质,多孔隔离物应当具有良好的润湿特性,使得其容易浸渍,特别是当电解质是液体时利用简单的接触操作、或当电解质为凝胶化聚合物电解质时利用共层压进行浸渍。
低摩尔质量的液体聚醚优选是线性的。
本发明电池的电解质的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚可以选自:
*式H-[O-CH2-CH2]m-OH的聚乙二醇,其中m在1至13之间,
*式R-[O-CH2-CH2]p-O-R'的乙二醇醚,其中p在1至13之间,R和R'为相同或不同的直链、支链或环状烷基,所述烷基可以包含1至20个碳原子,
*式R1-[CH2-O]q-R1'的醚,其中q在1至13之间,并且R1和R1'为相同或不同的直链、支链或环状烷基,所述烷基可以包含1至20个碳原子和任选的杂原子,
*可以包含2至20个碳原子的环醚、可以包含3至40个碳原子的环状聚醚,以及
*它们的混合物之一。
用于本发明中电解质的聚醚对锂和氧化还原有机结构是特别稳定的,因此能够尽可能地限制副反应。
在优选的实施方案中,低摩尔质量的液体线性或环状聚醚为式CH3O-(CH2-CH2)4-OCH3(即,R和R'=CH3且p=4)的四乙二醇二甲醚(TEGDME)或者式H-(O-CH2-CH2)4-OH(即,m=4)的四乙二醇(TEG)。
锂盐L1可以选自氟化锂(LiFO3)、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)、氟硼酸锂(LiBF4)、偏硼酸锂(LiBO2),高氯酸锂(LiClO4)、硝酸锂(LiNO3)、双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)、双(草酸)硼酸锂(LiBOB或LiB(C2O4)2)以及它们的混合物。
LiTFSI是优选的锂盐L1,并且其可以任选地与硝酸锂(LiNO3)组合。
显然,本发明中电池的电解质是非水性的,也就是说,因此它不包含水或水性溶剂。这是因为含水电解质与由锂金属制成的负极不相容。
电解质优选不包含碳酸盐类型有机溶剂,该碳酸盐型有机溶剂在长期存在于锂电极时不稳定,并且趋于形成锂泡沫而导致负极的不可逆消耗。
根据第一可选的形式,电解质为液体电解质。然后完全浸透多孔隔离物以浸渍其孔隙。
根据该第一可选的形式,液体电解质中锂盐L1的浓度在约0.5至8mol/l的范围内,优选约1至5mol/l,更优选为1至2mol/l。
液体电解质可以由溶于包含至少一种低摩尔质量的液体线性或环状聚醚的溶剂中的锂盐L1构成。
液体电解质可以仅由锂盐L1和低摩尔质量的液体线性或环状聚醚构成。
液体电解质优选是包含约1.5mol/l的LiTFSI的TEGDME溶液或LiTFSI的TEG溶液。
根据第二可选的形式,电解质是凝胶化聚合物电解质;然后将其沉积在隔离物上以便其孔隙并且形成自支撑的干电解质膜。
根据第二可选的形式,电解质还包含至少一种聚合物粘合剂P2。
聚合物粘合剂P2可以具有严格地大于约10,000g·mol-1的摩尔质量,优选严格地大于50,000g·mol-1,以及更优选严格地大于约100,000g·mol-1。
聚合物粘合剂P2可以选自乙烯的均聚物和共聚物;丙烯的均聚物和共聚物;环氧乙烷的均聚物和共聚物(例如,PEO、PEO共聚物)、环氧甲烷的均聚物和共聚物、环氧丙烷的均聚物和共聚物、环氧氯丙烷或烯丙基缩水甘油醚的均聚物和共聚物,以及它们的混合物;卤代聚合物,如氯乙烯、偏二氟乙烯(PVDF)、偏二氯乙烯、四氟乙烯或三氟氯乙烯的均聚物和共聚物,偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(PVDF-co-HFP),或它们的混合物;阴离子型非导电性聚合物,如聚(苯乙烯磺酸酯)、聚(丙烯酸)、聚(谷氨酸盐)、藻酸盐、明胶、果胶或者它们的混合物;阳离子型聚合物,如聚乙烯亚胺(PEI)、翠绿亚胺盐(ES)形式的聚苯胺、聚(N-季铵化乙烯基咪唑)、聚(丙烯酰胺-共-二烯丙基二甲基氯化铵)(AMAC)或它们的混合物;聚丙烯酸酯;以及这些物质的混合物之一。
应当理解,本发明的共聚物是指由至少两种不同单体获得的聚合物。
相对于凝胶化聚合物电解质的总重量,凝胶化聚合物电解质可以包含约20至70重量%的聚合物粘合剂P2,优选约30至60重量%的聚合物粘合剂P2。
优选的聚合物粘合剂P2为环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物和环氧乙烷与环氧丁烷的共聚物。
相对于凝胶化聚合物电解质的总重量,凝胶化聚合物电解质可以包含约15至约45重量%的锂盐L1,优选约20至35重量%的锂盐L1。
相对于凝胶化聚合物电解质的总重量,凝胶化聚合物电解质可以包含约5至40重量%的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚,优选地约10至30重量%低摩尔质量的液体线性或环状聚醚。
根据本发明的电池可以在约0和110℃之间运行,优选约20和100℃之间运行。
在本发明的具体实施方案中,相对于所述正极的总质量,本发明的电池的正极包含至少约45重量%的氧化还原有机结构,优选至少约60重量%的氧化还原有机结构。
在本发明中,“氧化还原有机结构”是指能够与Li发生可逆反应的电活性有机结构,即,能够通过与电极交换电子并同时与锂离子结合而进行一次以上可逆的氧化/还原反应的有机结构。
氧化还原有机结构表示本发明的有机锂电池的正极的活性材料(即,正极材料)。
在本发明中,氧化还原有机结构不同于选自元素硫S8的含硫试剂和包含至少一个S-S键的含硫有机化合物,它不是例如通常作为锂硫电池正极活性材料的那些正极活性材料。包含至少一个S-S键的含硫有机化合物可以是有机多硫化物,特别是通式R2-S-Sn–R3的那些化合物,其中R2和R3表示相同或不同的直链、支链或环状烷基链,其可以包含1至20个碳原子,n为1至50;或者具有一系列S-S键的二硫化物聚合物,其可以在有机锂电池的放电循环期间断裂并在充电循环期间重组。包含至少一个S-S键的含硫有机化合物也可以是式Li2Sw的化合物,其中w>1,或者式(C2Sx1)y1的碳-硫聚合物,其中x1=2.5-50且y1≥2。
氧化还原有机结构可以不同于Li2S,,其对应于如上定义的式Li2Sw化合物的放电状态。
根据本发明特别优选的形式,氧化还原有机结构包含至少两个羰基C=O官能团、两个硫酮C=S官能团或两个亚胺C=N官能团,任选地存在于至少一个芳香核上。羰基官能团是优选的。
特别地,氧化还原有机结构属于以下任意一个家族:醌、蒽醌、苯醌、萘醌、氧代-吲哚、衍生自C6O6骨架的化合物(即,铑酸酯衍生物)、包含至少一个四环吡咯的化合物和衍生自杯[4]芳烃骨架的化合物。
包含至少两个硫酮C=S官能团的氧化还原有机结构还可以选自以下化合物的含硫等价物中,例如环己二烯二硫化酮、衍生自C2S2(C6H4)2骨架的化合物、硫代-吲哚和C6OnS6-n骨架的衍生物。
相对于正极的总重量,正极可以包含约1至30重量%的产生电子传导性的试剂,优选约2至20重量%的产生电子传导性的试剂,更优选约2至10重量%的产生电子传导性的试剂。
适合用于本发明的产生电子传导性的试剂优选地选自炭黑、sp碳、乙炔炭黑、碳纤维和纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨、金属颗粒和纤维、以及它们的混合物之一。
产生电子传导性的试剂优选为炭黑。
优选地,产生电子传导性的试剂是球形颗粒的形式(即,以珠的形式),以促进传导,特别是在垂直于正极的方向(即,在其厚度方向)上,从而促进电极内的电化学过程。这是因为球形的产生电子传导性的试剂颗粒具有形成三维导电网络的倾向。
可以提及的炭黑的实例为以以下名称出售的炭黑:KetjenblackKetjenblack和Timcal Ensaco
根据具体实施方案,相对于正极的总重量,正极包含约2至30重量%的聚合物粘合剂P1,优选约5至20重量%的聚合物粘合剂P1。
聚合物粘合剂P1可以选自乙烯的均聚物和共聚物;丙烯的均聚物和共聚物;环氧乙烷的均聚物和共聚物(例如,PEO、PEO共聚物)、环氧甲烷的均聚物和共聚物、环氧丙烷的均聚物和共聚物、环氧氯丙烷或烯丙基缩水甘油醚的均聚物和共聚物,以及它们的混合物;卤代聚合物,如氯乙烯、偏二氟乙烯(PVDF)、偏二氯乙烯、四氟乙烯或三氟氯乙烯的均聚物和共聚物,偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(PVDF-co-HFP),或它们的混合物;聚丙烯酸酯,如聚甲基丙烯酸甲酯;多元醇,如聚乙烯醇(PVA);导电性聚合物,如聚苯胺、聚吡咯、聚芴、聚芘、聚薁、聚萘、聚乙炔、聚(对亚苯基亚乙烯)、聚咔唑、聚吲哚、聚氮杂卓、聚噻吩、聚(对苯硫醚)、或它们的混合物;阳离子型聚合物,如聚乙烯亚胺(PEI)、翠绿亚胺盐(ES)形式的聚苯胺、聚(N-季铵化乙烯基咪唑)、聚(丙烯酰胺-共-二烯丙基二甲基氯化铵)(AMAC)或它们的混合物;阴离子型聚合物,例如聚(苯乙烯磺酸酯)、明胶或果胶;以及这些物质的混合物之一。
聚合物粘合剂P1优选为PVDF-co-HFP、PVA、PEI、AMAC或它们的混合物之一。
正极可另外包含至少一种如本发明所定义的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚。
相对于正极的总重量,正极可以包含约2至30重量%的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚,优选约5至20重量%的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚。
正极可额外地包含至少一种锂盐L2。
相对于正极的总重量,正极可以包含约1至25重量%的锂盐L2,优选约1至15重量%的锂盐L2,更优选约1至10重量%的锂盐L2。
锂盐L2可以选自氟化锂(LiFO3)、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)、氟硼酸锂(LiBF4)、偏硼酸锂(LiBO2),高氯酸锂(LiClO4)、硝酸锂(LiNO3)、双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)、双(草酸)硼酸锂(LiBOB或LiB(C2O4)2)以及它们的混合物。
LiTFSI是优选的锂盐L2。
相对于电极的总体积,本发明的正极可以具有小于或等于约40体积%,优选小于或等于约30体积%的孔隙率。因此,这能够提高电池的能量密度。
应当注意的是,正极的总重量包括氧化还原有机结构的重量、聚合物粘合剂P1的重量、产生电子传导性的试剂的重量、任选的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚的重量(如果存在的话)、以及任选的锂盐L2的重量(如果存在的话)。
所述正极可以这样制备:
a)将至少一种氧化还原有机结构与至少一种产生电子传导性的试剂、至少一种聚合物粘合剂P1、任选的至少一种锂盐L2、任选的至少一种低摩尔质量的液体线性或环状聚醚和任选的所述聚合物粘合剂P1的至少一种溶剂混合,以获得电极糊,
b)将所述电极糊施加到至少一个载体上,
c)通过干燥所述电极糊,以获得负载膜形式的正极。
聚合物粘合剂P1,锂盐L2和低摩尔质量的液体线性或环状聚醚如本发明定义。
可以通过挤出或通过研磨实施步骤a)。
挤出是非常有利的,因为其能够容易地获得低孔隙率的电极,同时不使用太多的溶剂。它还能够免去干电极上的压延步骤,所述压延步骤可能导致电极的结构改变,损害产生电子传导性的试剂颗粒的良好的涂层,并且由此导致电极在循环过程中的崩解。最后,压延步骤具有增加获得电极的步骤数量并且因此增加生产成本的缺点。
步骤a)中聚合物粘合剂P1的溶剂能够溶解聚合物粘合剂P1。
当存在所述溶剂时,其优选占混合物总重量的小于约30重量%,所述混合物包含氧化还原结构、产生电子传导性的试剂、聚合物粘合剂P1、任选的锂盐L2和任选的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚。
在制造正极的过程中使用少量聚合物粘合剂P1的溶剂能够产生低孔隙率的正极(即,约≤40体积%)。这种低孔隙率能够控制和优化正极中存在的氧化还原结构的量,从而获得最佳的体积能量密度。
步骤a)中的溶剂可以选自水、N-甲基吡咯烷酮、碳酸酯型溶剂(如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或碳酸甲乙酯)、丙酮、醇(如甲醇、乙醇或丙醇),以及它们的混合物。
溶剂优选选自水、丙酮、醇及它们的混合物。
可以通过层压或通过涂布实施步骤b)。
载体可以是集电体和/或载体膜。
作为集电体的实例,可以提及由覆盖有碳基层(耐腐蚀层)的铝制成的集电体。
作为支撑膜的实例,可以提及经硅树脂处理的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类型的塑料膜。
在步骤c)结束时获得的正极负载膜可以具有约2至100μm,优选约10至60μm的厚度。
可以在足以能够除去步骤a)中溶剂的温度下实施步骤c)。
本发明的第二主题是一种用于制造如本发明的第一主题所定义的有机锂电池的方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
A)制备本发明所定义的液体电解质或凝胶化聚合物电解质的步骤,特别是将至少一种低摩尔质量的液体线性或环状聚醚与至少一种锂盐L1混合,
B)组装如本发明中所定义的正极、负极和多孔隔离物的步骤,
所述方法另外包括以下步骤中的一个或另一个:
C-1)使用步骤A)中制备的液体电解质浸渍步骤B)中所得组件的步骤,或者
C-2)使用步骤A)中制备的凝胶化聚合物电解质浸渍所述多孔隔离物,在组装步骤B)之前进行所述浸渍。
低摩尔质量的液体线性或环状聚醚、锂盐L1和聚合物粘合剂P2如在本发明的第一主题中的定义。
优选地通过在搅拌下将至少一种锂盐L1溶解在低摩尔质量的液体线性或环状聚醚中(任选地在约20℃至120℃的温度下)制备步骤A)的液体电解质。
可以通过这样的方法获得步骤A)的凝胶化聚合物电解质:挤出至少一种聚合物粘合剂P2和溶液以获得电解质糊,该溶液包含至少一种低摩尔质量的液体线性或环状聚醚和至少一种锂盐L1,然后层压电解质糊(特别地在两个支撑膜之间)以获得凝胶化聚合物电解质膜。
可以在约60至170℃的温度下进行挤出。
两个支撑膜可以为经硅树脂处理的PET塑料膜。
使用凝胶化聚合物电解质浸渍隔离物(即步骤C-2))可以通过,特别是在约80℃、以及优选地在约5巴的压力下,共压延隔离物和凝胶化聚合物电解质进行
步骤A)和C-2)可以是同一个步骤,其中将由挤出得到电解质糊直接层压在隔离物上,从而获得浸渍有凝胶化聚合物电解质的隔离物。
通过以下实施例对本发明进行说明,但是本发明不限于此。
实施例
实施例中使用的起始原料如下所列:
-Ketjenblack炭黑,AkzoNobel,
-蒽醌,纯度97%,Sigma Aldrich,
-聚乙烯亚胺(PEI),50重量%水溶液,Fluka,Sigma Aldrich,
-LiTFSI,3M,
-经硅树脂处理的PET膜,Mitsubishi,
-纯度99%的四乙二醇二甲醚(TEGDME),Sigma Aldrich,
-PEO的共聚物(co-PEO),Mw~105g.mol-1,ZSN 8100,Zeospan,
-聚丙烯制成的双向拉伸的单层隔离物S-1,BPF220,Bolloré,
-聚丙烯制成的单层隔离物S-2,Celgard 2500。
除非另有说明,所有材料都以从供应商处获得的形式使用。
实施例1
根据本发明的有机锂电池的制造
1.1正极的制备
环境温度下手动混合2.25g的Ketjenblack炭黑和31.5g的蒽醌。
在由以商品名 EC出售的混合器中,将上述所得混合物与5.085g的四乙二醇二甲醚(TEGDME)、9g的聚乙烯亚胺(PEI)50%溶液、1.665g的锂盐(LiTFSI)和5g的水在80℃下混合20分钟。所使用的水的量约为炭黑、蒽醌、聚乙烯亚胺PEI和锂盐LiTFSI的总重量的约20重量%。
随后将由此获得的糊剂在95℃下层压在由覆盖有碳基层的铝制成的集电体上。
将由此获得的膜在烘箱中120℃下干燥20分钟,以获得根据本发明的膜形式的正极E-1。
所获得的正极E-1的重量组成如下表1所示:
表1
正极 | 炭黑(%) | TEGDME(%) | 锂盐(%) | PEI(%) | 蒽醌(%) |
E-1 | 5 | 11.3 | 3.7 | 10 | 70 |
1.2液体电解质的制备和所用隔离物的特征
制备包含溶于四乙二醇二甲醚(TEGDME)的LiTFSI的液体电解质,所述电解质包含30.1重量%的LiTFSI。由此获得1.51mol/l的锂盐的TEGDME溶液。
用于本实施例的隔离物S-1和S-2的特性:厚度t(以μm计)、孔隙率P(以%计)、Gurley型孔隙率PGurley(以s/100cm3计)、100℃下1小时所测得的纵向热收缩率RL(以%计)、100℃下1小时所测得的横向热收缩率RT(以%计)、最大刺穿强度Fmax(以牛顿N计)和断裂伸长量E(以mm计)示于下表2中。
使用以商品名Genuine Gurley Model 4340出售的自动密度计测量Gurley型孔隙率PGurley。
通过比较隔离物的真实厚度和其理论厚度,从而计算孔隙率P,该理论厚度由隔离物的重量和聚丙烯的密度估算得出。
根据标准ISO11501(由隔离物的供应商处获得的数据)估算纵向RL和横向RT热收缩率。
使用以商品名DY32型Adamel Lhomargy出售的通用测试机,在环境温度下进行ASTM D3420刺穿试验,从而获得最大穿刺强度Fmax和断裂伸长量E。
表2
a:在90℃而非100℃下测定的热收缩率。
1.3固体聚合物电解质的制备
将锂盐(LiTFSI)、共聚物PEO 和共聚物PVDF-co-HFP的混合物挤出,然后将获得的电解质浆料在125℃下层压在两个经硅树脂处理的PET的塑料膜之间。
获得的固体聚合物电解质的重量组成示于下表3中:
表3
1.4有机锂电池的制造
在无水气氛(露点<-40℃的空气)、环境温度下通过手动层压对以下组件进行组装从而制备三种电池B-1、B-2和B-3:
-上述实施例1.1中得到的正极E-1,
-包含厚度约为100μm的锂金属膜形式的锂金属的负极,以及
-上述实施例1.2中获得的浸渍有液体电解质的隔离物S-1,或上述实施例1.2中获得的浸渍有液体电解质的隔离物S-2或上述实施例1.3中得到的固体聚合物电解质SP-1。
电池B-1符合本发明,因为它包括如本发明中所定义的正极、负极、电解质和隔离物。
另一方面,电池B-2和B-3不符合本发明,因为B-2不包含本发明所限定的隔离物,B-3不包含本发明所限定的隔离物和电解质。
图1中示出在电流强度为C/4,温度为100℃的条件下,电池B-1(具有实心圆的曲线)、电池B-2(具有实心正方形的曲线)和电池B-3(具有空心菱形的曲线)的比容量(单位为mAh/g)对循环次数的函数。
这些结果表明使用如本发明所定义的双向拉伸的隔离物能够显著提高有机锂电池的循环耐性。特别地,图1表明,对于电池B-3(固体聚合物电解质),第一个循环期间的放电容量急剧下降,并且在随后的循环中不稳定,这可能与蒽醌在固体聚合物电解质中溶解并因此扩散有关。同样地,图1表明,对于电池B-2(非双向拉伸的隔离物),在最初的循环中放电容量快速下降。
Claims (22)
1.一种有机锂电池,其包括:
-包含锂金属或锂金属合金的负极,
-正极,其任选地由集电体支撑,所述正极包含至少一种氧化还原有机结构,至少一种聚合物粘合剂P1和至少一种产生电子传导性的试剂,所述氧化还原有机结构不同于选自元素硫S8和包含至少一个S-S键的含硫有机化合物的含硫试剂,以及
-浸渍有电解质的多孔隔离物,
所述有机锂电池的特征在于所述多孔隔离物为至少包含聚丙烯的双向拉伸隔离物,并且所述电解质包含至少一种低摩尔质量的液体线性或环状聚醚和至少一种锂盐L1。
2.根据权利要求1所述的电池,其特征在于所述低摩尔质量的液体线性或环状聚醚为摩尔质量小于或等于10,000g·mol-1的液体线性或环状聚醚。
3.根据权利要求1或2所述的电池,其特征在于所述多孔隔离物的厚度在5μm至50μm的范围内。
4.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述多孔隔离物的孔隙率大于或等于50体积%。
5.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述多孔隔离物具有平均尺寸在50nm至3μm范围内的孔。
6.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述多孔隔离物的断裂伸长量为至少5mm。
7.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述多孔隔离物的Gurley型孔隙率在50s/100cm3至500s/100cm3范围内。
8.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于,无论所述多孔隔离物的厚度如何,其纵向热收缩率和/或横向热收缩率严格地小于15%。
9.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述锂盐L1选自氟化锂(LiFO3)、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)、氟硼酸锂(LiBF4)、偏硼酸锂(LiBO2),高氯酸锂(LiClO4)、硝酸锂(LiNO3)、双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)、双(草酸)硼酸锂(LiBOB或LiB(C2O4)2)以及它们的混合物。
10.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述电解质为胶化聚合物电解质且其额外地包含至少一种聚合物粘合剂P2。
11.根据权利要求10所述的电池,其特征在于,所述聚合物粘合剂P2选自乙烯的均聚物和共聚物;丙烯的均聚物和共聚物;环氧乙烷、环氧甲烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷或烯丙基缩水甘油醚的均聚物和共聚物,以及它们的混合物;卤代聚合物;阴离子型非导电性聚合物;聚丙烯酸酯;阳离子型聚合物;以及这些物质的混合物之一。
12.根据权利要求10或11所述的电池,其特征在于,相对于所述凝胶化聚合物电解质的总重量,所述凝胶化聚合物电解质包含20重量%至70重量%的聚合物粘合剂P2。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的电池,其特征在于,相对于所述凝胶化聚合物电解质的总重量,所述凝胶化聚合物电解质包含15重量%至45重量%的锂盐L1。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的电池,其特征在于,相对于所述凝胶化聚合物电解质的总重量,所述凝胶化聚合物电解质包含5重量%至40重量%的低摩尔质量的液体线性或环状聚醚。
15.根据权利要求1至9中任一项所述的电池,其特征在于所述电解质为液体电解质且所述锂盐L1在该液体电解质中的浓度在0.5mol/l至8mol/l的范围内。
16.根据前述任一项权利要求中所述的电池,其特征在于,相对于所述正极的总重量,本发明电池的正极包含至少45重量%的氧化还原有机结构。
17.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于所述氧化还原有机结构包含至少两个羰基C=O官能团、两个硫酮C=S官能团或两个亚胺C=N官能团。
18.根据前述任一项权利要求所述的电池,其特征在于,相对于所述正极的总重量,所述正极包含1重量%至30重量%的产生电子传导性的试剂。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电池,其特征在于,所述产生电子传导性的试剂选自炭黑、sp碳、乙炔炭黑、碳纤维和纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨、金属颗粒和纤维、以及它们的混合物之一。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电池,其特征在于,相对于所述正极的总重量,所述正极包含2重量%至30重量%的聚合物粘合剂P1。
21.根据前述权利要求中任一项所述的电池,其特征在于,所述聚合物粘合剂P1选自乙烯的均聚物和共聚物;丙烯的均聚物和共聚物;环氧乙烷、环氧甲烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷或烯丙基缩水甘油醚的均聚物和共聚物,以及它们的混合物;卤代聚合物;聚丙烯酸酯;多元醇;导电性聚合物;阳离子型聚合物;阴离子型聚合物;以及这些物质的混合物之一。
22.一种用于制造如权利要求1至21中任一项所述的有机锂电池的方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
A)制备权利要求1至21中任一项所述的液体电解质或凝胶化聚合物电解质的步骤,
B)组装如权利要求1至21中任一项所述的正极、负极和多孔隔离物的步骤,
所述方法还包括以下步骤中一个或另一个:
C-1)使步骤A)中制备的液体电解质浸渍步骤B)中组件的步骤,或者
C-2)使用步骤A)中制备的胶化聚合物电解质浸渍多孔隔离物的步骤,所述浸渍在组装步骤B)之前。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170926 |
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