电池隔板上的陶瓷涂层的制作方法
【专利说明】电池隔板上的陶瓷涂层
[0001]相关申请案的交互参照
[0002]本申请案主张美国临时申请案61/736，968号的优先权，所述临时申请案的内容在此通过引用将全文并入本文中。
发明领域
[0003]本发明大体上涉及诸如锂离子电池的电化学能量储存装置，且尤其是涉及一种对此类储存装置中的隔板提供具有受控厚度的均匀陶瓷涂层的方法。
[0004]发明背景
[0005]当前锂离子电池的生产是使用多孔聚烯烃隔板，所述隔板在高温下易受热皱缩，且可能引发正极与负极或相对应的集电器之间的短路。隔板上的陶瓷涂层有助于抑制直接接触，但当前使用印刷技术(或类似技术)形成涂层的方法无法在电池隔板上均匀地涂布四微米或更小的陶瓷颗粒。
【发明内容】
[0006]本发明大体上涉及诸如锂离子电池的电化学能量储存装置，且尤其是涉及一种对此类储存装置中的隔板提供具有受控厚度的均匀陶瓷涂层的方法。本发明的一些实施例利用分散于溶剂中的纳米/微米尺寸颗粒的层叠式(layer by layer)涂布，所述溶剂可以是水性或非水性。本发明的其它实施例利用诸如PVD的干式工艺，以于多孔聚烯烃隔板上沉积陶瓷膜。根据本发明的某些方面，此方式的优点包括以较少废弃物且较高产率(相较于当前的陶瓷涂布技术)达成更致密更均匀的具有更佳受控厚度的膜的能力。陶瓷涂布的隔板的优点是单元(cell)的安全性增加。
[0007]根据这些与其它方面，根据本发明的实施例的方法包括以下步骤:制备用于电化学储存装置的隔板；以及利用受控的工艺使陶瓷层涂布至所述隔板，所述陶瓷层具有期望厚度。一些实施例中，所述受控的工艺包含以下步骤:使具有陶瓷颗粒的第一层涂布至所述隔板，第一层的所述陶瓷颗粒具有第一电荷；使具有陶瓷颗粒的第二层涂布至所述第一层，第二层的所述陶瓷颗粒具有与所述第一电荷相反的第二电荷；以及重复所述涂布步骤直到获得具有期望厚度的陶瓷涂层为止。其它实施例中，所述受控的工艺包含以下步骤:制备源材料，所述源材料包含陶瓷材料；以及在PVD腔室中将所述陶瓷层沉积在所述隔板上，直到获得所述期望厚度为止。
[0008]附图简单说明
[0009]本领域的普通技术人员一旦浏览下文中本发明的特定实施例的描述以及附图后，将能明白本发明的这些与其它方面及特征，其中:
[0010]图1是图示根据本发明实施例的制造陶瓷涂布隔板的示范工艺的流程图；
[0011]图2图示根据本发明实施例的陶瓷涂布隔板的示范完成结构；
[0012]图3是图示根据本发明实施例的制造陶瓷涂布隔板的另一示范工艺的流程图；及
[0013]图4图示根据本发明实施例的具有陶瓷涂布隔板的示范锂离子电池结构。
[0014]优选实施方式的具体描述
[0015]现在，将参考图详细描述本发明，所述图提供作为本发明的图示性范例，以使本领域的普通技术人员能够实践本发明。很明显图与下文中的范例并非意味将本发明的范围限制至单一实施例，而是，通过互换所描述或所绘示的元件中的一些或全部，可实现其它实施例。再者，当本发明的某些元件可部分或全部通过使用已知部件实施时，将会仅描述这些已知部件中用于理解本发明所必须的那些部分，而这些已知部件的其它部分的详细描述将会省略，以不使本发明难以理解。除非在此以其它方式指明，否则，如本领域的普通技术人员所明了的，描述成在软件中实施的实施例不应限制于所述实施例，而是所述实施例可包括于硬件中(或软件与硬件的组合中)实施的实施例，反之亦然。除非在此以其它方式明确陈述，否则，在本说明书中，不应将显示单数部件的实施例视为限制，相反地，申请人希望本发明涵盖包括多个相同部件的其它实施例，反之亦然。再者，除非就此明确地提出，否则申请人不希望说明书或权利要求书中的任何用语归属于非通用或特殊的含义。进一步而言，本发明涵盖通过图示方式于本文中所参考的已知部件的目前与未来已知的等效例。
[0016]大体而言，本发明意识到，以较少废弃物且较高产率(相较于当前的陶瓷涂布技术)达成更致密更均匀的具有更佳受控厚度的膜的能力是有优势的。在诸如电池的电化学储存装置中有陶瓷涂布的隔板的优点包括单元的安全性增加。
[0017]一些实施例中，本发明包括层叠式涂布来自水介质的带相反电荷的(oppositelycharged)纳米/微米尺寸颗粒，所述涂布可非常适合在诸如多孔聚烯烃隔板这样的隔板上形成陶瓷涂层。根据本发明的这些实施例的示范方法显示于图1。
[0018]在第一步骤S102中，制备带相反电荷的颗粒的两个悬浮液或乳化液。所述陶瓷颗粒可以是绝缘氧化物或离子传导陶瓷，绝缘氧化物诸如为八1203、5102等，而离子传导陶瓷诸如(Li, La)Ti03、L1-La_Zr-0、以硫化物为基础的电解质等。所述颗粒较佳为纳米尺寸，但可为微米尺寸。所述颗粒可为致密或中空。可用于本发明的实施例中的可购得的陶瓷颗粒的一个范例是A1203、5102与MgO。
[0019]可通过以下方式将电荷给予所述颗粒:通过控制溶液的组成或pH值，或者通过将带电荷聚电解质(charger polyelectrolyte)附接所述颗粒(这是由吸附或反应性化学键结(接枝)达成)。聚电解质是这样的聚合物:所述聚合物的重复单元载有可离子化基团。这些基团将会在某些溶液(例如水)中解离，而使得这些聚合物带电荷。聚电解质的性质因此类似电解质(盐类)又类似聚合物(高分子量化合物)，且有时称为聚盐类(polysalt)。工业上使用的聚电解质中的一些聚电解质是聚二丙烯基二甲基氯化铵、聚丙烯胺-Naf 1n/聚丙烯酸、线性N，N-十二烷基甲基聚乙烯亚胺/聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸盐、聚丙烯胺盐酸盐、聚丙烯胺/聚丙烯酸、聚丙烯酸/聚环氧乙烷-嵌段-聚己内酯。当解离时带负电的聚电解质的范例为，聚苯乙烯磺酸钠(PSS)与聚丙烯酸(PAA)。PSS与PAA皆是解离时带负电的聚电解质。PSS是“强”聚电解质(溶液中完全带电荷)，然而PAA是“弱”聚电解质(部分带电荷)。带正电的聚合物的范例为聚乙烯亚胺、聚赖氨酸、聚丙烯胺盐酸盐等。聚电解质在固体基质上的吸附是表面现象，其中具有带电荷基团的长链聚合物分子接合至以相反极性带电荷的表面。
[0020]虽然图1中并未显示有另外的步骤，但如果隔板本身原本未带电荷，则可能必须制备所述隔板。一些实施例中，此制备可包括将隔板暴露至电晕，化学式处理所述隔板(例如使用氧化剂)，或者是将聚电解质吸附或接枝至隔板表面。为了使具有带相反电荷的颗粒的第一层接合隔板，拥有带电荷的隔板是必须的。
[0021]步骤S104包括施加自限制层，所述自限制层由具有颗粒的单一层所构成。举例而言，若隔板带正电，则施加带负电的层。一旦表面完全被带负电的层覆盖，则终止颗粒沉积。应注意，在上下文中使用“自限制”的用语以指因为沉积单层颗粒，所以带类似电荷颗粒之间的自然斥力导致无颗粒堆积。所述施加步骤可通过使用例如喷涂工艺将适当的混合物涂布至隔板上而执行。
[0022]于步骤S106执行清洗工艺，以将任何过多的颗粒与溶液清洗掉。所述清洗可通过将水喷洒在沉积层上或使隔板运行通过水浴而执行。或者，可使用诸如乙腈、乙醇、N-甲基-2-吡咯酮、四氢呋喃等非水性溶剂。在此时，隔板涂布有单一层陶瓷颗粒，所述层的厚度实质上对应已用在所述聚合物溶液中的陶瓷颗粒直径。
[0023]步骤S108中，施加第二层的颗粒，所述颗粒具有与前一层相反的电