CN105529426A - 分离器和具有稳健地分开阴极和阳极的结构的原电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分离器和具有稳健地分开阴极和阳极的结构的原电池。一种分离器（8）具有第一聚合物膜片（16）和第二聚合物膜片（20）以及处于所述第一聚合物膜片（16）与所述第二聚合物膜片（20）之间的层（17），所述层（17）具有多个拥有低弹性的微粒（18），其中所述第一聚合物膜片（16）和所述第二聚合物膜片（20）通过第一基座元件（24）优选周期间歇地彼此相连接。此外，说明一种原电池（2）以及一种具有这样的分离器（8）的电池。

Description

分离器和具有稳健地分开阴极和阳极的结构的原电池

技术领域

本发明涉及一种分离器、一种原电池和一种电池。

背景技术

原电池要不断地得到改进和优化，用于一方面提供较高的能量密度并且另一方面保证其安全并且可靠地发挥功能。锂电池在此具有所熟知的缺点。除了热失控和火灾危险之外，对于锂电池来说还存在着形成树枝状晶体的问题，由此不仅降低了所述锂电池的效率，而且由此也存在着所述锂电池的组件、尤其是所述分离器受到损坏的风险。所述问题可能导致所述锂电池的预期使用寿命的缩短。

US6,528,201B1说明了一种具有无纺织物的分离器，所述无纺织物在所述分离器的内部附着在细小的、由腈、氯丁二烯或者氯-磺化的聚乙烯橡胶来制成的橡胶微粒上。通过所述有弹性的橡胶微粒，在所述电极板与所述分离器之间建立紧密的接触并且向所述分离器提供抵抗力。

发明内容

本发明的任务是，提供一种分离器和一种原电池，所述原电池在结构上如此设计而成，从而尽可能防止各个组件的损坏，以便以较高的能量密度周期性稳定地存在着最佳的并且可靠的运行条件。

根据第一方面，分离器包括第一聚合物膜片和第二聚合物膜片以及处于所述第一聚合物膜片与所述第二聚合物膜片之间的层，所述层具有多个拥有低弹性的微粒。所述第一聚合物膜片和所述第二聚合物膜片在此通过第一基座元件优选周期间歇地彼此相连接。

所述低弹性在此通过比所述聚合物膜片的弹性模数大的弹性模数来定义，或者通过大于1kN/mm²或者优选大于5kN/mm²的弹性模数来定义。

所述第一聚合物膜片和所述第二聚合物膜片可以由任意的、用于从现有技术中知道的分离器的聚合物来制成。这样的聚合物优选构造为多细孔的并且在电方面稳定的结构，比如使用尼龙、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或者类似的氟聚合物、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或者天然地出现的物质、比如橡胶。所述第一和第二聚合物膜片的厚度、孔径大小和渗透性可以按本发明的实施方式而有变化。

所述第一聚合物膜片和所述第二聚合物膜片通过第一基座元件优选周期间歇地彼此相连接。通过所述基座元件，所述分离器因此得到保护，以防止从外部起作用的力，尤其是防止变形。所述第一基座元件比如可以具有柱、桥或者钟乳石形状，或者也可以具有锥状的或者圆柱状的形状。所述第一基座元件的尺寸可以在宽度、长度和直径方面有变化。所述第一基座元件构造为绝缘的结构。优选所述基座元件构造为能够传导离子的结构。

所述拥有低弹性的微粒由处于压力之下的聚合物膜片集合在一起，并且形成一个基床，其中所述微粒在力起作用时很难运动。因为所述微粒具有低弹性，所以它们赋予所述分离器以较大的机械的负荷能力。对于在阳极上形成树枝状晶体并且所述树枝状晶体碰到所述分离器这种情况来说，所述分离器没有折断，而是在理想情况下至多所述形成分离器的微粒中的各个微粒会松动，其中剩余的微粒继续稳定地结合在一起并且可以维持所述分离器的绝缘功能。所述树枝状晶体在此被朝后弯曲或者比如垂直于层序（Schichtfolge）来转向。

所述拥有低弹性的微粒优选包括传导离子的微粒，并且尤其可以由氧化的、硫化的、硫化的-磷化的或者磷化的离子导体或者由所述离子导体构成的混合物来制成。所述拥有低弹性的微粒在制造过程中可以在所述分离器的范围内均匀地分布，这保证，所述分离器中的离子传导能力是均匀的。

此外，所述层比如可以具有黏合剂或者传导离子的材料、尤其是锂-磷-硫-离子导体、优选是硫化的玻璃。黏合剂或者锂-磷-硫-离子导体的与所述拥有低弹性的微粒的组合引起生面团状的稠度，所述生面团状的稠度分散了作用力的或者振动的能量。此外，所述分离器在此具有较高的弯曲柔韧性，这又可以防止所述分离器的损坏。

作为补充方案或者替代方案，至少可以部分地用电解质、传导离子的凝胶、尤其是聚环氧乙烷（Polyethylenoxidoxid）-传导离子的凝胶并且/或者用由传导离子的聚合物和形成晶格的（gerüstbildend）的聚合物构成的嵌段共聚物来填充所述拥有低弹性的微粒之间的间隙。用于传导离子的聚合物的实例是聚环氧烷烃（Polyalkylenoxide）、聚硅氧烷、聚磷腈（Polyphosphazene）以及具有由这些功能基构成的侧基（Seitengruppe）的聚合物或者其衍生物以及其它在现有技术中知道的传导离子的聚合物。可以使用每类普遍地从现有技术中知道的电解质或者传导离子的凝胶。所述间隙中的嵌段共聚物能够实现这一点：所述拥有低弹性的微粒中的各个微粒可以出于已经提到的原因而稍许运动。

作为补充方案或者替代方案，所述分离器的层包括纤维网。所述纤维网作为用于拥有低弹性的微粒的网来起作用，方法是：它使这些微粒保持定位。在有力起作用时，它允许所述微粒进行轻微的运动。所述纤维网在电方面是稳定的，并且比如可以由传导的或者非传导的材料制成，比如由聚合物、玻璃或者天然产品制成。可以规定，将所述纤维网仅仅设置在这样的区域中，在所述这样的区域中可以预料较高的物理的负荷。所述纤维网可以按本发明的实施方式在厚度、节点的数目和均质性方面有变化。

所述第一聚合物膜片和/或所述第二聚合物膜片可以由锂稳定的聚合物制成，或者由电压稳定的聚合物制成，所述电压稳定的聚合物优选相对于4.0V以上的电压是稳定的，特别优选相对于4.6V以上的电压是稳定的。用于合适的、从现有技术中知道的聚合物的实例是尼龙、聚四氟乙烯或者类似的氟聚合物、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或者天然地出现的物质、比如橡胶。

此外，在所述第一聚合物膜片与所述第一基座元件之间并且/或者在所述第二聚合物膜片与所述第一基座元件之间优选存在着热化学的胶粘剂。所述胶粘剂使所述第一基座元件和所述第一及第二外部的膜片保持定位，并且改进所述分离器的总体刚度和形状。所述胶粘剂可以在批量制造的过程中在热化学的粘贴过程之前被涂覆到所述第一基座元件的接触面上并且/或者被涂覆到所述第一和第二外部的膜片层上，并且同时与所述分离器的、比如包含黏合剂的层一起进行时效硬化或者以后以化学的方式进行交联。

根据本发明的另一个方面，原电池包括前面所描述的分离器之一、一个具有活性的第一材料和第一集电器的阴极和一个具有活性的第二材料及第二集电器的阳极，其中所述阴极与所述第一聚合物膜片邻接，并且其中所述阳极与所述第二聚合物膜片邻接。

所述阳极可以是金属的阳极或者锂-插入的材料、比如石墨。所述阳极原则上可以由任意的、对于锂离子阳极的制造来说所熟知的材料构成。活性的第二材料或者阳极活性材料可以包括锂、镁、铁、镍、铝、锌或者其组合物或者每种可以发射电子并且产生离子流的材料。作为活性的第二材料，比如硅、锗、锂、含碳的材料、比如石墨或者无定形的碳或者金属合金是有利的。具有锂-合金份额的混合电极也是常见的。所述第二集电器由金属制成，比如由铜制成。

优选所述第二集电器通过第二基座元件优选周期间歇地与所述分离器的第二聚合物膜片相连接。

所述第二基座元件比如可以具有柱、桥或者钟乳石形状，或者也可以具有锥状的或者圆柱状的形状，并且由此提供一种合适的结构，使得所述第二集电器足够地与所述分离器隔开。所述第二基座元件的尺寸可以在宽度、长度和直径方面有变化。所述第二基座元件比如可以通过印刷、喷射、光化学的过程、蚀刻过程或者粘贴来制成。

通过所述第二基座元件所述分离器以及所述第二集电器与所述分离器之间的空间得到了保护，以防止从外面起作用的力、比如防止变形。

所述原电池的第二基座元件可以构造为电绝缘的或者导电的结构，其中在所述第二种情况中优选在端面上、也就是说在相对于所述第二基座元件上的分离器的接触面上设置了绝缘的区域。

此外优选在所述第二集电器与所述分离器的第二聚合物膜片之间有用于接纳所述活性的第二材料的空间。

如此选择所述第二基座元件的相对于彼此的间距以及所述基座元件的大小，使得所述第二集电器与所述分离器之间的空间可以接纳所述锂离子。在使用金属的阳极的情况下，金属锂作为所述活性的第二材料沉积在所述第二集电器与所述分离器之间的空间中。

所述第二集电器与所述分离器之间的空间可以大于所述活性的第二材料的总体积。除了所述活性的第二材料之外，在所述阳极的、处于第二集电器与分离器的第二聚合物膜片之间的空间中优选有另一种材料、尤其是传导离子的凝胶、离子液或者电解质。所述另一种处于第二集电器与分离器之间的材料在所述锂金属在所述第二集电器上增长的情况中朝布置在所述第二集电器的侧面的空间中移位，该空间同样相对于所述阴极被隔离。

活性的第一材料或者阴极活性材料可以与任意的、适合于这样的用途的、活性的材料有关。这样的材料比如可以包括金属氧化物、比如锂-钴氧化物、锂-镍-钴-氧化物、锂-铁磷酸盐或者锂-锰氧化物或者硫或者类似材料。作为活性的第一材料，氧化的材料、尤其是锂-钴二氧化物（LiCoO₂）、锂-铁磷酸盐（LiFePO₄）、锂-锰氧化物尖晶石（LiMn₂O₄）或者包括镍的混合氧化物是合适的。镍/锰/钴-/铝-混合氧化物、锂-金属-磷酸盐、锂锰尖晶石或者硫以及硫化合物也在使用之中。由上述物质构成的任意的混合物也可以加以考虑并且在使用之中。一种优选的活性的第一材料是聚丙烯腈-硫-复合材料（S-PAN），被封装在纳米碳结构、比如纳米管或者纳米球中的硫形式（Schwefelformen）或者硫复合材料同样可以加以考虑。

根据一种优选的实施方式，所述阴极具有多细孔的传导离子的结构，该结构具有多个拥有活性的第一材料的储存腔（Reservoirs）。所述阴极的、多细孔的传导离子的结构在本发明的范围内表示一种结构，该结构让离子流通过并且优选具有敞开的细孔。所述细孔构成一种通道网，该通道网允许离子、传导离子的凝胶、离子液或者电解质的运动。所述细孔可以通过常见的起泡或者反应过程来产生。所述细孔大小可以通过预热、加热或者通过烧结方法来确定。

所述多细孔的传导离子的结构优选由碳材料、传导的金属氧化物、金属、由金属和碳构成的传导的混合物、金属与传导的金属氧化物的传导的混合物、碳与传导的金属氧化物的传导的混合物或者碳与有催化活性的金属氧化物的传导的混合物来制成，其中所述传导的金属氧化物尤其并且优选是掺杂的氧化锡。

所述多细孔的传导离子的结构包括多个拥有所述活性的第一材料的储存腔。所述储存腔在所述多细孔的传导离子的结构的内部形成封闭的或者通过通道彼此相连接的区域，在所述区域中所述活性的第一材料可以得到保存、得到存放并且/或者可以与这种材料进行反应。通过确定所述多细孔的传导离子的结构的、储存腔大小以及另外的细孔的大小这种方式，可以确定充电及放电速率，使得所述原电池的效率能够控制。

所述储存腔比如可以通过阴极的、可以具有通道状的支撑结构的区域来与所述分离器隔开。

按照本发明的另一方面，电池包括所描述的分离器或者原电池中的一个或者多个分离器或者原电池。多个原电池在此可以作为电池堆而存在，对于所述电池堆来说至少两个这样的原电池被上下堆放并且分别共享一个共同的第一或者第二集电器。通过这种方式可以提供最佳的空间利用方案并且节省了用于所述集电器的材料。这样的电池比如可以用在电动车、平板电脑、笔记本电脑和智能手机中。在说明书的范围内，“电池的概念”就像在口语中常见的概念一样使用并且也包括蓄电池。

本发明的优点：

通过在所述分离器中使用拥有低弹性的微粒这种方式来改进所述分离器的、承受从外部起作用的力并且相对于局部的弯曲力和压力变得更加柔韧的能力。这样的分离器变得更加稳定以防止损坏，并且保持其抵抗能力，尤其是防止由金属阳极、比如锂阳极构成的树枝状晶体。

基座元件的使用进一步改进了所述分离器的结构上的以及机械上的负荷能力。作用力通过被埋入的高密度的微粒来分布到较大的表面上。由此防止由于从外部起作用的力引起的变形并且在最终效果中防止所述分离器的损坏。

此外，所定义的、与所述阳极的第二基座元件相接触（vermitteln）的结构引起以下结果：锂在充电时可以均匀地被放在所述第二集电器上，因为它不会如此容易地在所述树枝状晶体中增长。在放电时，所述锂材料均匀地被分解。由此可以由所述原电池均匀地放出较大的电流。通过在所述阳极上均匀地构成所述活性的第二材料这种方式，此外将阳极与阴极之间的短路的风险降低到最低限度，并且尤其也将树枝状晶体的量降低到最低限度。

附图说明

本发明的实施方式在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。附图示出：

图1是按本发明的、具有分离器的原电池的、侧面的剖视图；并且

图2是在图1中示出的区域A的、详细的视图。

在下面对本发明的实施例所作的说明中，相同的或者类似的组件用相同的或者类似的附图标记来表示，其中在个别情况中放弃对于这些组件的重复的描述。附图仅仅示意性地示出了本发明的主题。

具体实施方式

图1示出了按本发明的原电池2的、侧面的剖视图。

所述原电池2包括阴极4、阳极6和分离器8，所述分离器为了电绝缘的目的而将所述阴极4和所述阳极6在空间上彼此分开。所述分离器8的主要功能是，将所述阳极6和所述阴极4彼此隔离、防止电的短路并且同时允许离子流，用于使所述原电池2中的电路闭合。所述分离器8在此形成选择性的阻挡层，该选择性的阻挡层允许离子通过并且防止阴极或者阳极组成部分穿透。

所述阴极4包括第一集电器10和多细孔的传导离子的结构15，其中所述阴极4的活性的第一材料12处于储存腔5中，所述储存腔是所述多细孔的传导离子的结构15的一部分。

所述分离器8包括一个处于第一聚合物膜片16与第二聚合物膜片20之间的层17，所述层17具有多个拥有低弹性的微粒28，所述第一聚合物膜片16和所述第二聚合物膜片20同样被分配给所述分离器8。所述第一聚合物膜片16处于朝向阴极4的一面上，并且所述第二聚合物膜片20处于朝向阳极6的一面上。所述拥有低弹性的微粒18比如由氧化的、硫化的、硫化-磷化的或者磷化的离子导体或者由所述离子导体构成的混合物所制成。所述层17同样包括黏合剂和/或锂-磷硫-离子导体。

第一基座元件24将所述第一聚合物膜片16与所述第二聚合物膜片20连接起来。所述第一基座元件24在此优选周期间歇地布置，也就是说相对于彼此以固定的空间的间距来布置。所述第一基座元件24可以由电绝缘的材料制成。在所示出的情况中，所述第一基座元件24由能够传导离子的材料制成。

在所述阳极6的第二集电器28与所述分离器8的第二聚合物膜片20之间有用于接纳活性的第二材料30、比如金属锂的空间7。所述空间7在所示出的原电池2中用第二基座元件32来填充，并且一部分用所述阳极6的活性的第二材料30并且另一部分用另一种材料32、比如电解质或者传导离子的凝胶来填充。所述活性的第二材料30及另一种材料31的量尤其根据所述原电池2的充电状态来变化。在金属锂以锂层的形式增长时，所述另一种材料31朝侧面移位，也就是垂直于所示出的、具有阳极6、分离器8和阴极4的层序来移位。

所述阳极8的第二基座元件32可以由绝缘的材料制成。在所示出的情况中，所述第二基座元件32由有传导能力的材料制成并且用绝缘的区域33来覆盖。

在图1中示出了一种层序，在该层序中在所述阳极6的上方有另一个阳极6，这另一个阳极与已经描述过的阳极6一起共享所述集电器28。所述另一个阳极6可以关于所述第二集电器28相对于已经描述的阳极6镜像对称地来制成。在所述另一个阳极6的上方，勾画出另一个分离器8的第二聚合物膜片20。在所述阴极4的下方，类似地勾画出另一个阴极4，该另一个阴极与所述已经描述的阴极4一起共享所述第一集电器10。所述另一个阴极4也可以关于所述第一集电器10相对于所述已经描述过的阴极4镜像对称地制成。

所述原电池2可以具有大量的如此上下布置的层。

图2是在图1中示出的区域A的详细视图。图2尤其示出了处于所述具有活性的第一材料12的储存腔5与所述分离器8的第一聚合物膜片16之间的区域14。

在所述区域14中有支撑结构13，该支撑结构比如包括通道，所述通道从所述第一聚合物膜片16一直伸展到所述储存腔5。所述分离器8在此安放在所述支撑结构13上。

除此以外，图2示出了所述分离器8的拥有低弹性的微粒18以及处于其之间的间隙22，该间隙至少部分地用电解质、传导离子的凝胶、尤其是聚环氧乙烷-传导离子的凝胶并且/或者用由传导离子的聚合物和形成晶格的聚合物构成的嵌段共聚物来填充。

本发明不局限于这里所描述的实施例以及其中所强调的方面。更确切地说，在所述通过权利要求来说明的范围之内可以考虑大量的、处于专业的行动的范围内的改动方案。

Claims (10)

1.分离器（8），具有第一聚合物膜片（16）和第二聚合物膜片（20）以及处于所述第一聚合物膜片（16）与所述第二聚合物膜片（20）之间的层（17），所述层（17）具有多个拥有低弹性的微粒（18），其中所述第一聚合物膜片（16）和所述第二聚合物膜片（20）通过第一基座元件（24）优选周期间歇地彼此相连接。

2.按权利要求1所述的分离器（8），其中所述拥有低弹性的微粒（18）由氧化的、硫化的、硫化-磷化的或者磷化的离子导体或者由这些离子导体构成的混合物制成。

3.按前述权利要求中任一项所述的分离器（8），其中所述拥有低弹性的微粒（18）之间的间隙（22）至少部分地用电解质、传导离子的凝胶、尤其是聚环氧乙烷-传导离子的凝胶并且/或者用由传导离子的聚合物和形成晶格的聚合物构成的嵌段共聚物来填充。

4.按前述权利要求中任一项所述的分离器（8），其中所述层（17）包括纤维网。

5.按前述权利要求中任一项所述的分离器（8），其中所述第一聚合物膜片（16）和/或所述第二聚合物膜片（20）由锂稳定的聚合物或者电压稳定的材料制成。

6.按前述权利要求中任一项所述的分离器（8），其中在所述第一聚合物膜片（16）与所述第一基座元件（24）之间并且/或者在所述第二聚合物膜片（20）与所述第一基座元件（24）之间有热化学的胶粘剂。

7.原电池（2），具有

a）一按权利要求1到6中任一项所述的分离器（8）；

b）一拥有活性的第一材料（12）和第一集电器（10）的阴极（4），其中所述阴极（4）与所述第一聚合物膜片（16）邻接；以及

c）一拥有活性的第二材料（30）和第二集电器（28）的阳极（6），其中所述阳极（6）与所述第二聚合物膜片（20）邻接。

8.按权利要求7所述的原电池（2），其中所述第二集电器（28）通过第二基座元件（32）优选周期间歇地与所述分离器（8）的第二聚合物膜片（20）相连接，并且在所述第二集电器（28）与所述分离器（8）的第二聚合物膜片（20）之间有用于接纳所述活性的第二材料（30）的空间（7）。

9.按权利要求7或8所述的原电池（2），其中所述阴极（4）具有多细孔的传导离子的结构（15），所述结构具有多个拥有所述活性的第一材料（12）的储存腔（5）。

10.电池，包括按权利要求1-9中任一项所述的原电池（2）。