专利名称：用于非水溶液性电池的元件、其制备方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于非水溶液性电池的元件，尤其是电极，该元件包括至少一种由任选是导电性的无机微粒、一种高分子量聚合物和一种含烃化合物构成的微孔片材。本发明还涉及一种制备此元件的方法，也涉及此元件作为阴极、阳极和隔板的应用。另外，本发明还涉及一种电池，该电池依次由一层或多层集流电极，阳极，隔板，阴极和集流电极构成。
开始部分所述的元件其本身公开于美国专利说明书5143805中。该说明书中披露了该元件，尤其是一种阴极电极，它包括一种微孔片材和一个集流电极，所述微孔片材是一种自承重箔片，该箔片主要由一种均相组合物组成，该组合物的成分为约70-98wt％在电化学方面活泼且能导电的微粒状材料，约2-30wt％重均分子量150000至约5百万的聚乙烯以及约0-5wt％的一种用于聚乙烯的有机软化剂，所述集流电极由导电材料制成，所述集流电极紧贴在微孔片材的至少一个侧面。
此电极的不足之处在于聚合物中无机微粒数量少。少量的无机微粒能降低最终所得电极的活性。但是，实际上，增加无机微粒的用量将会降低微孔片材的完整性，并且会导致所述微孔片材易于开裂和破碎。
由此，本发明的一个目的在于提供一种主要采用大量的无机微粒制得的元件，尤其是电极。
本发明的另一个目的在于提供一种尽管具有高含量的无机微粒但却不容易开裂或破碎的元件，尤其是电极。
根据本发明，开始部分所述的元件的特征在于，如果将微孔片材用于阳极和隔板，则所述微孔片材含有80-99.9wt％无机微粒，任选是导电性无机微粒，0.1-20.0wt％高分子量聚烯烃化合物和0-20.0wt％聚合物，该聚合物接触电解质会发生溶胀，以及，如果所述微孔片材应用于包含0.1-1.9wt％高分子量聚烯烃化合物的阴极，那么所述微孔片材含有80-99.9wt％无机微粒，任选是导电性无机微粒，和0-20wt％聚合物，该聚合物接触电解质会发生溶胀，以及，如果所述微孔片材应用于包含1.9-20wt％高分子量聚烯烃化合物的阴极，那么，所述微孔片材含有80-98wt％无机微粒，任选是导电性无机微粒，和0.1-20wt％聚合物，该聚合物接触电解质会发生溶胀。
很显然，此处的术语阴极意指正极，而术语阳极意指负极。
对于高分子量聚烯烃化合物，优选使用重均分子量1百万至10百万的超高分子量聚乙烯(UHMEP)或超高分子量聚丙烯(UHMWPP)。
另外，本发明所用的聚烯烃化合物，还可以由高分子量聚乙烯和低分子量聚乙烯的混合物组成。然而，使用高分子量聚乙烯和高分子量聚丙烯的混合物也是可行的。这种混合物显示出高的耐高温性和低的收缩率。
为获得柔韧的高温下稳定的导电电极，最好聚烯烃化合物是交联的。可采用例如离子辐射、电子辐射或K辐射方式使之发生交联。
与电解质接触会发生溶胀的聚合物，优选其用量介于0.1-5wt％之间，且该聚合物优选选自聚苯乙烯、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯及其共聚物。
本发明所述的元件适于用作阴极。如果所述元件用作阴极，则优选由无机微粒制成，比如3d轨道过渡(3d-transition)金属氧化物微粒，如LiMn2O4，LiCoO2，LiNiO2，亦可任选加入导电性微粒，如碳和/或金属。
相关元件也适于用作阳极。如果相关元件用作阳极，无机的导电性微粒优选使用碳和/或石墨。
相关元件也适于用作隔板。如果相关元件用作隔板，优选由无机非导电性微粒制成，该微粒优选选自陶瓷材料和/或氧化物。对于陶瓷材料而言，最好使用Li(1+x)Al(x)Ti(2-x)(PO4)3和/或Li3xLa(2/3-x)TiO3，对于氧化物而言，最好是三氧化二铝和/或二氧化硅。
本发明还涉及一种由一层或多层集流电极，阳极，隔板，阴极和集流电极构成的电池，如本发明所述的电池，其特征在于，阴极、阳极和隔板，至少其中之一是采用上文所述的阴极、阳极和隔板。
本发明还涉及制备如上所述元件的方法。所述方法的特征在于将原材料混合于溶剂中，再将所得混合物加入挤出机中从而生成箔片，然后将溶剂从箔片中去除，从而获得微孔片材，其中原材料为无机微粒，任选是导电性无机微粒，聚烯烃化合物和聚合物。
按照本发明的方法，可采用此方式制造阳极、阴极和隔板。如果制造隔板，则使用如上所述的陶瓷微粒。
随后，将由此获得的元件用来制备锂离子电池。加工过程可由许多不同的方式进行。阳极和阴极在热和压力作用下与集流电极层压在一起。可以在干燥条件下或在溶剂中进行此过程，该溶剂随后从系统中除去。用这种方法制成依次为集流电极/阳极/隔板/阴极/集流电极的复合片材。
另一种可行的方式是，将阳极和阴极以及隔板共同进行共挤出处理。接下来，使所得复合元件带有集流电极并且将其用于电池的制造。
阳极或阴极，使二者一与隔板进行共挤出亦是可以的。接下来，使所得复合片材带有集流电极并且将其用于电池的制造。
按照另一方法，在制造过程中使阳极和阴极都带有集流电极。然后，将自承重片材与常规隔板结合，以制备电池。
最后，供给上述体系一种含导电离子的有机液体，从而得到最终的电池产品。以下将通过许多实施例进一步解释本发明，这些实施例并不作为本发明范围的限制。
阳极的制备将5.3g内消旋碳(meso-carbon)微粒，5g十氢萘和0.05g分子量1百万以上的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)混合。再将混合物溶于惰性溶剂中，制备出薄膜。除去过多溶剂之后，对薄膜进行压延处理(rolling operation)，从而得到微孔片材。
阴极的制备先将5gLiCoO2，5g十氢萘和0.05g分子量1百万以上的超高分子量聚乙烯混合，除此之外，采用与阳极相似的方法来制备阴极。接下来，将所得混合物溶于惰性溶剂，然后进行与阳极相似的处理过程。除去溶剂后，得到干燥的微孔片材。实验表明，片材的模量随着聚合物含量的增加而增大。
隔板的制备使用1g分子量1百万以上的超高分子量聚乙烯和9g粒径约1Tm的Li0.55La0.35TiO3微粒来制备隔板。将两种原材料都溶于十氢萘，形成多孔聚合物薄膜。室温下此薄膜导电性为1.2mS/cm，该薄膜包含1mol％溶于碳酸丙烯酯(propene carbonate)的LiPF6。
电池的制备采用铜集流电极作为阳极，铝集流电极作为阴极，制备出由阳极、阴极和隔板交替构成的电池。接下来，将电池浸入含有1mol LiPF6的溶液，该溶液中EC与DEC之比为1∶1。随后，将电池用在一种层压铝片合成树脂支撑物中。该电池无外部压力作用亦可充电。
权利要求
1.用于非水溶液性电池的一种元件，尤其是电极，该元件包括至少一种由任选是导电性的无机微粒、一种高分子量聚合物和一种含烃化合物构成的微孔片材，其特征在于，如果微孔片材用于阳极和隔板，则所述微孔片材含有80-99.9wt％无机微粒，可以是导电性无机微粒，0.1-20.0wt％高分子量聚烯烃化合物和0-20.0wt％聚合物，该聚合物接触电解质会发生溶胀，以及，如果所述微孔片材用于包含0.1-1.9wt％高分子量聚烯烃化合物的阴极，那么所述微孔片材含有80-99.9wt％无机微粒，任选是导电性无机微粒，和0-20wt％聚合物，该聚合物接触电解质会发生溶胀，以及，如果所述微孔片材应用于包含1.9-20wt％高分子量聚烯烃化合物的阴极，那么，所述微孔片材含有80-98wt％无机微粒，任选是导电性无机微粒，和0.1-20wt％聚合物，该聚合物接触电解质会发生溶胀。
2.一种如权利要求1所述的元件，其特征在于，将重均分子量为1百万至10百万的超高分子量聚乙烯用于高分子量聚烯烃化合物。
3.一种如权利要求1所述的元件，其特征在于，将重均分子量为1百万至10百万的超高分子量聚丙烯用于高分子量聚烯烃化合物。
4.一种如权利要求1至3所述的元件，其特征在于，高分子量聚烯烃化合物是交联的。
5.一种如权利要求1至3所述的元件，其特征在于，聚合物用量介于0.1-5wt％之间。
6.一种如权利要求1至5所述的元件，其特征在于，与电解质接触会发生溶胀的聚合物选自聚苯乙烯、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯及其共聚物。
7.如权利要求1至6所述的元件作为阴极的应用。
8.一种如权利要求7所述的应用而得到的阴极，其特征在于，无机导电性微粒选自LiMn2O4，LiCoO2，LiNiO2，任选加入如碳和/或金属之类的导电性微粒。
9.如权利要求1至6所述的元件作为阳极的应用。
10.一种如权利要求9所述的应用而得到的阳极，其特征在于，无机微粒选自碳和/或石墨。
11.如权利要求1至6所述的元件作为隔板的应用。
12.一种如权利要求11所述的应用而得到的隔板，其特征在于，无机微粒选自陶瓷材料和/或氧化物。
13.一种如权利要求12所述的隔板，其特征在于，Li(1+x)Al(x)Ti(2-x)(PO4)3和/或Li3xLa(2/3-x)TiO3用作陶瓷材料。
14.一种如权利要求12所述的隔板，其特征在于，使用的氧化物是三氧化二铝和/或二氧化硅。
15.一种由一层或多层集流电极，阳极，隔板，阴极和集流电极以及电解质构成的电池，其特征在于，阳极、阴极和隔板，至少其中之一是如权利要求8所述的阴极，如权利要求10所述的阳极和权利要求12所述的隔板。
16.一种如权利要求1-6所述的元件的制备方法，其特征在于，所用原材料为无机微粒，任选是导电性无机微粒，一种聚烯烃化合物和一种聚合物，将这些原材料与溶剂混合，然后将所得混合物加入挤出机生成箔片，将溶剂从箔片中除去从而获得微孔片材。
全文摘要
本发明涉及一种用于非水溶液性电池的元件,尤其是电极,该元件包括至少一种由任选是导电性的无机微粒、一种高分子量聚合物和一种含烃化合物构成的微孔片材。此元件可用作一种电池,特别是一种可充电的锂离子电池中的阴极、阳极和隔板,该电池由一层或多层集流电极,阳极,隔板,阴极,集流电极和电解质构成。
文档编号H01M2/14GK1334613SQ0012681
公开日2002年2月6日 申请日期2000年7月24日 优先权日2000年7月24日
发明者R·A·M·希克米特 申请人:皇家菲利浦电子有限公司