用于固态电池组的双连续隔离层及其形成方法与流程

本发明涉及用于电化学电池的双连续隔离层和用于形成电化学电池的双连续隔离层的方法。

背景技术：

1、本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

2、电化学能量储存装置(诸如锂离子和/或钠离子电池组)可以用于各种产品，包括汽车产品，例如启-停系统(例如12v启-停系统)、电池组辅助系统(“μbas”)、混合动力电动车辆(“hev”)和电动车辆(“ev”)。典型的锂离子和/钠离子电池组包括两个电极和电解质组件和/或隔离件。两个电极中的一个可以用作正电极或阴极，并且另一个电极可以用作负电极或阳极。填充有液体或固体电解质的隔离件可设置在负电极和正电极之间。电解质适于在电极之间传导锂离子和/或钠离子，并且与两个电极类似，可以是固体和/或液体形式和/或其混合物。在包括固态电极和固态电解质(或固态隔离件)的固态电池组的情况下，固态电解质(或固态隔离件)可物理地隔离电极，使得不需要明显的隔离件。

3、许多不同的材料可用于制造用于锂离子和/或钠离子电池组的组件。例如，对于固态电池组，固态电解质通常用来代替多孔(例如塑料膜)隔离件。然而，固态电解质通常非常厚(例如，大于约100微米(μm))，其降低了固态电池组的能量密度。此外，在负电极包含锂金属的情况下，锂金属通常通过在孔和裂缝中以及沿着晶界沉积(例如，镀覆)而在固态电池组中引起短路。因此，将期望开发可以解决这些挑战的改进的电池组材料，并且更具体地，开发用于固态电池组的隔离层。

技术实现思路

1、本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

2、本公开涉及固态电池组，并且更具体地，涉及用于固态电池组的双连续隔离层，以及制造和使用其的方法。

3、在各个方面，本公开提供了一种用于电化学电池的双连续隔离层。该双连续隔离层可包括具有孔的隔离基质和设置在隔离基质的孔的至少一部分中的固态电解质。双连续隔离层在25℃下可具有大于或等于约2.5×10-5s/cm的离子电导率。

4、在一个方面，隔离基质可具有大于或等于约30体积％至小于或等于约80体积％的孔隙率，并且固态电解质可占据隔离基质的总孔隙率的大于或等于约60％。

5、在一个方面，双连续隔离层可具有大于或等于约300s/100cc的gurley数，以及大于或等于约2ω·cm2至小于或等于约100ω·cm2的面电阻(areal resistance)。

6、在一个方面，隔离基质的孔的平均孔径可大于或等于约0.03微米至小于或等于约1微米，并且固态电解质的平均粒度可大于或等于约0.03微米至小于或等于约1微米。

7、在一个方面，双连续隔离层的厚度可由隔离基质限定，并且隔离基质的平均厚度可大于或等于约10微米至小于或等于约100微米。

8、在一个方面，隔离基质可包含以下中的一种或多种：芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯、无机纤维、聚甲基戊烯或其任意组合。

9、在一个方面，固态电解质可包含选自以下的固态电解质材料：li3ps4、li7p3s11、li7p3s(11-x)ox(其中0≤x≤1.25)，li6ps5m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、li4ps4m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、na3ps4、na(3-2x)ps(4-x)sex(其中0≤x≤0.1)，及其组合。

10、在一个方面，隔离基质可包含超高分子量聚乙烯，并且超高分子量聚乙烯可与无机填料混合，至多约80重量％的载量。无机填料可选自：氧化铝、二氧化硅、二氧化钛及其组合。

11、在一个方面，隔离基质可包含具有大于或等于约215℃的熔融温度的聚合物。

12、在一个方面，聚合物可选自：聚己内酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚甲基戊烯(pmp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚己二酰己二胺、纤维素、液晶聚合物、聚醚醚酮(peek)、芳族聚酰胺、玻璃纤维及其组合。

13、在一个方面，固态电解质粉末可具有小于或等于约300℃的熔融温度。

14、在一个方面，固态电解质粉末可包含li1.9ohcl0.9。

15、在各个方面，本公开提供了一种形成用于电化学电池的双连续隔离层的方法。该方法可包括使固态电解质液态前体与具有孔的隔离基质接触。固态电解质液态前体可进入隔离基质的孔的至少一部分中以形成渗透的隔离基质。固态电解质液态前体可包含溶剂和固态电解质粉末或固态电解质粉末前体。方法还可包括将渗透的隔离基质加热至大于或等于约25℃至小于或等于约300℃的温度以除去溶剂并形成双连续隔离层。该双连续隔离层可在隔离基质的孔的至少一部分中包括固态电解质。

16、在一个方面，可重复接触和加热，直到固态电解质填充隔离基质的总孔隙率的大于或等于约60％。

17、在一个方面，温度可为第一温度，并且方法还可包括以下中的至少一个：将双连续隔离层加热至大于或等于约100℃至小于或等于约550℃的第二温度，以及将双连续隔离层加热至大于或等于约100℃至小于或等于约550℃的第三温度，同时施加大于或等于约1mpa至小于或等于约300mpa的压力。

18、在一个方面，隔离基质可包含芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯、无机纤维、聚甲基戊烯或其任何组合。

19、在一个方面，固态电解质可包含选自以下的固态电解质材料：li3ps4、li7p3s11、li7p3s(11-x)ox(其中0≤x≤1.25)，li6ps5m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、li4ps4m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、na3ps4、na(3-2x)ps(4-x)sex(其中0≤x≤0.1)，及其组合。

20、在一个方面，固态电解质粉末前体可选自：li2o、li2s、p2s5、p2o5、多硫化物及其组合。

21、在一个方面，溶剂可选自：乙腈(acn)、四氢呋喃(thf)、乙醇(etoh)、甲醇(meoh)、n-甲基甲酰胺(nmf)、丙酸乙酯(ep)、水(h2o)、肼、正己烷、二醇醚(glycol ether)、乙酸乙酯(ea)及其组合。

22、在一个方面，温度可为第一温度，隔离基质可包含超高分子量聚乙烯，所述超高分子量聚乙烯可与无机填料混合，至多约80重量％的载量，并且方法可进一步包括制备固态电解质溶液。制备固态电解质溶液可包括使固态电解质粉末前体与溶剂接触，以及将双连续隔离层加热至大于或等于约100℃至小于或等于约350℃的第二温度。固态电解质粉末前体可选自：li2o、li2s、p2s5、p2o5、多硫化物及其组合。溶剂可选自：乙腈(acn)、四氢呋喃(thf)、乙醇(etoh)、甲醇(meoh)、n-甲基甲酰胺(nmf)、丙酸乙酯(ep)、水(h2o)、肼、正己烷、二醇醚、乙酸乙酯(ea)及其组合。

23、在各个方面，本公开提供了一种形成用于电化学电池的双连续隔离层的方法。方法可包括使固态电解质粉末与具有孔的隔离基质接触以形成物理混合物。隔离基质可由具有大于或等于约215℃的熔融温度的聚合物限定，并且固态电解质可具有大于或等于约300℃的熔融温度。方法还可包括将物理混合物加热至大于或等于约240℃至小于或等于约500℃的温度以形成熔融混合物，混合熔融混合物以形成前体混合物，以及挤出前体混合物以形成双连续隔离层。双连续隔离层可在隔离基质的孔的至少一部分中包含固态电解质。

24、在一个方面，聚合物可选自：聚己内酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚甲基戊烯(pmp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚己二酰己二胺、纤维素、液晶聚合物、聚醚醚酮(peek)、芳族聚酰胺、玻璃纤维及其组合。

25、在一个方面，固态电解质可包含li1.9ohcl0.9。

26、本发明公开了以下实施方案：

27、1.一种用于电化学电池的双连续隔离层，该双连续隔离层包含：

28、具有孔的隔离基质；以及

29、固态电解质，所述固态电解质设置在所述隔离基质的孔的至少一部分中，所述双连续隔离层在25℃下具有大于或等于约2.5×10-5s/cm的离子电导率。

30、2.根据实施方案1所述的双连续隔离层，其中所述隔离基质具有大于或等于约30体积％至小于或等于约80体积％的孔隙率，并且所述固态电解质占据所述隔离基质的总孔隙率的大于或等于约60％。

31、3.根据实施方案1所述的双连续隔离层，其中所述双连续隔离层具有大于或等于约300s/100cc的gurley数，以及大于或等于约2ω·cm2至小于或等于约100ω·cm2的面电阻。

32、4.根据实施方案1所述的双连续隔离件层，其中所述隔离基质的孔的平均孔径为大于或等于约0.03微米至小于或等于约1微米，且固态电解质的平均粒度为大于或等于约0.03微米至小于或等于约1微米。

33、5.根据实施方案1所述的双连续隔离层，其中所述双连续隔离层的厚度是由隔离基质限定的，并且隔离基质的平均厚度是大于或等于约10微米至小于或等于约100微米。

34、6.根据实施方案1所述的双连续隔离层，其中所述隔离基质包含以下中的一种或多种：芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯、无机纤维、聚甲基戊烯或其任意组合。

35、7.根据实施方案6所述的双连续隔离层，其中所述固态电解质包含选自以下的固态电解质材料：li3ps4、li7p3s11、li7p3s(11-x)ox(其中0≤x≤1.25)，li6ps5m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、li4ps4m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、na3ps4、na(3-2x)ps(4-x)sex(其中0≤x≤0.1)，及其组合。

36、8.根据实施方案6所述的双连续隔离层，其中所述隔离基质包含超高分子量聚乙烯，并且所述超高分子量聚乙烯与无机填料混合，至多约80重量％的载量，所述无机填料选自：氧化铝、二氧化硅、二氧化钛及其组合。

37、9.根据实施方案1所述的双连续隔离层，其中所述隔离基质包含熔融温度大于或等于约215℃的聚合物。

38、10.根据实施方案9所述的双连续隔离层，其中所述聚合物选自：聚己内酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚甲基戊烯(pmp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚己二酰己二胺、纤维素、液晶聚合物、聚醚醚酮(peek)、芳族聚酰胺、玻璃纤维及其组合。

39、11.根据实施方案9的双连续隔离层，其中所述固态电解质粉末具有低于或等于约300℃的熔融温度。

40、12.根据实施方案11所述的双连续隔离层，其中所述固态电解质粉末包含li1.9ohcl0.9。

41、13.一种用于形成电化学电池的双连续隔离层的方法，该方法包括：

42、使固态电解质液态前体与具有孔的隔离基质接触，所述固态电解质液态前体进入所述隔离基质的孔的至少一部分以形成渗透的隔离基质，其中所述固态电解质液态前体包含溶剂和固态电解质粉末或固态电解质粉末前体；

43、将渗透的隔离基质加热至大于或等于约25℃至小于或等于约300℃的温度以去除溶剂并形成双连续隔离层，所述双连续隔离层在隔离基质的孔的至少一部分中包含固态电解质。

44、14.根据实施方案13所述的方法，其中重复所述接触和所述加热，直到所述固态电解质填充所述隔离基质的总孔隙率的大于或等于约60％。

45、15.根据实施方案13所述的方法，其中所述温度是第一温度，并且所述方法还包括以下中的至少一个：

46、将所述双连续隔离层加热至大于或等于约100℃至小于或等于约550℃的第二温度；以及

47、将所述双连续隔离层加热至大于或等于约100℃至小于或等于约550℃的第三温度，同时施加大于或等于约1mpa至小于或等于约300mpa的压力。

48、16.根据实施方案13所述的方法，其中所述隔离基质包含芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯、无机纤维、聚甲基戊烯或其任意组合；

49、固态电解质包含选自以下的固态电解质材料：li3ps4、li7p3s11、li7p3s(11-x)ox(其中0≤x≤1.25)，li6ps5m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、li4ps4m(其中m选自氯(cl)、溴(br)、碘(i)及其组合)、na3ps4、na(3-2x)ps(4-x)sex(其中0≤x≤0.1)，及其组合；

50、固态电解质粉末前体选自：li2o、li2s、p2s5、p2o5、多硫化物及其组合；以及

51、溶剂选自：乙腈(acn)、四氢呋喃(thf)、乙醇(etoh)、甲醇(meoh)、n-甲基甲酰胺(nmf)、丙酸乙酯(ep)、水(h2o)、肼、正己烷、二醇醚、乙酸乙酯(ea)及其组合。

52、17.根据实施方案13所述的方法，其中所述温度是第一温度，所述隔离基质包含超高分子量聚乙烯，并且所述超高分子量聚乙烯与无机填料混合，至多约80重量％的载量，并且所述方法还包括：

53、在包括以下的方法中制备所述固态电解质溶液：

54、使固态电解质粉末前体与溶剂接触，所述固态电解质粉末前体选自：li2o、li2s、p2s5、p2o5、多硫化物及其组合，和选自以下的溶剂：乙腈(acn)、四氢呋喃(thf)、乙醇(etoh)、甲醇(meoh)、n-甲基甲酰胺(nmf)、丙酸乙酯(ep)、水(h2o)、肼、正己烷、二醇醚、乙酸乙酯(ea)及其组合；以及

55、将所述双连续隔离层加热至大于或等于约100℃至小于或等于约350℃的第二温度。

56、18.一种用于形成电化学电池的双连续隔离层的方法，该方法包括：

57、使固态电解质粉末与具有孔的隔离基质接触以形成物理混合物，所述隔离基质由熔融温度大于或等于约215℃的聚合物限定，并且所述固态电解质具有熔融温度大于或等于约300℃；

58、将物理混合物加热至大于或等于约240℃至小于或等于约500℃的温度以形成熔融混合物；

59、混合所述熔融混合物以形成前体混合物；以及

60、挤出所述前体混合物以形成所述双连续隔离层，所述双连续隔离层在所述隔离基质的孔的至少一部分中包含固态电解质。

61、19.根据实施方案18所述的方法，其中所述聚合物选自：聚己内酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚甲基戊烯(pmp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚己二酰己二胺、纤维素、液晶聚合物、聚醚醚酮(peek)、芳族聚酰胺、玻璃纤维及其组合。

62、20.根据实施方案18所述的方法，其中所述固态电解质包含li1.9ohcl0.9。

63、从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得显而易见。本
技术实现要素：
中的描述和具体实例仅意在用于举例说明的目的，而不意在限制本公开的范围。