CN109713201A - 防止枝蔓晶体生长的二次电池 - Google Patents

防止枝蔓晶体生长的二次电池 Download PDF

Info

Publication number
CN109713201A
CN109713201A CN201711445070.8A CN201711445070A CN109713201A CN 109713201 A CN109713201 A CN 109713201A CN 201711445070 A CN201711445070 A CN 201711445070A CN 109713201 A CN109713201 A CN 109713201A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal ion
anode
secondary cell
metal
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN201711445070.8A
Other languages
English (en)
Inventor
朴相睦
李尹圣
吴承旼
高琦锡
吕悦梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hyundai Motor Co
Kia Corp
Original Assignee
Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hyundai Motor Co, Kia Motors Corp filed Critical Hyundai Motor Co
Publication of CN109713201A publication Critical patent/CN109713201A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/497—Ionic conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565—Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明涉及一种防止枝蔓晶体生长的二次电池，其包括电池单元中的金属离子收集器，所述金属离子收集器能够吸收在使用电池时在阳极的表面上产生的金属枝蔓晶体，因此，可以通过在阳极的表面上生长的枝蔓晶体触及阴极的表面之前使金属枝蔓晶体被吸收到金属离子收集器中，以抑制枝蔓晶体的生长并且防止由枝蔓晶体导致的短路，从而能够改善安全性。

Description

防止枝蔓晶体生长的二次电池
技术领域
本发明涉及一种二次电池(secondary battery)及其结构，其能够防止枝蔓晶体(dendrite)生长，并且防止由于在电极的表面上的枝蔓晶体生长所导致的短路。
背景技术
例如锂二次电池的二次电池以化学能储存电能并且供电。
锂二次电池通常包括阳极、阴极、电解质以及隔膜(其提供锂离子在阳极与阴极之间移动的路径)，由此随着在锂离子进入和脱离阴极和阳极这两个电极时发生氧化和还原，而产生电能。
同时，在氧化和还原期间，电子密度可能在阳极的粗糙表面上集中；在重复数次充电和放电之后，随着锂晶体形成，不均一的针状枝蔓晶体可能在阳极的表面上生长。
当枝蔓晶体在二次电池使用期间产生时，电池的内阻增加，因此充电/放电效率降低。此外，特别地，在枝蔓晶体继续生长并且直接地或间接地通过隔膜而与相对侧的阴极的表面发生接触时，电池发生短路。
公开于背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对本发明背景技术的理解，因此其可能包含并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术的信息。
发明内容
在优选的方面，本发明可以提供一种包括金属离子收集器的二次电池，其可以吸收在电池使用时在阳极的表面上产生的金属枝蔓晶体，从而可以通过抑制枝蔓晶体的生长而提高所述二次电池的安全性。此外，通过利用金属离子收集器吸收金属枝蔓晶体，防止枝蔓晶体接触阴极的表面，从而可以防止由枝蔓晶体导致的短路。
本申请所使用的术语“二次电池”是指能够再充电或可再充电以用于在使用寿命中通过重复充电和放电而使用的电池。示例性的二次电池可以包括而不限于锂离子电池、锂硫电池或铅酸电池等。
在一个方面，提供一种可以有效地防止枝蔓晶体生长的二次电池。所述二次电池可以包括1)阴极，2)阳极，3)电解质，4)隔膜以及5)金属离子收集器；所述电解质包括第一电解质和第二电解质，并布置在阴极与阳极之间；所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜，并布置在阴极与阳极之间；所述金属离子收集器布置在阴极与阳极之间。优选地，至少金属离子收集器的面向阳极的第一表面可以与第一隔膜接触。在特别的方面，所述金属离子收集器的第一表面可以通过所述第一隔膜而绝缘。例如，所述金属离子收集器的第一表面可以通过所述第一隔膜而被适当地覆盖、涂覆或包裹。
本申请所使用的“绝缘”是指电绝缘，以使得电子不可以穿过被绝缘的物体传输或移动，或者在被绝缘的物体上传输或移动。可以通过对电流具有高或相当高的电阻的材料(例如聚合物、玻璃或硅材料等)而获得优选的绝缘。
在优选的实施方案中，当第一隔膜与阳极的表面隔开时(例如通过布置在第一隔膜与阳极之间的第一电解质)，金属离子收集器的面向阴极的第二表面可以与第二隔膜接触。
例如，当所述第一电解质布置在所述第一隔膜的面向所述阳极的第一表面与阳极的表面之间时，所述金属离子收集器可以在面向所述阴极的第二表面上与所述第二隔膜接触。在特别的方面，所述金属离子收集器的第二表面可以通过所述第二隔膜而绝缘。例如，所述金属离子收集器的第二表面可以通过所述第二隔膜而适当地被覆盖、涂覆或包裹。
在另一优选的实施方案中，在第一隔膜与阳极的表面接触时，在阴极与金属离子收集器之间的第二隔膜可以与金属离子收集器的第二表面分开或不接触。所述金属离子收集器的第二表面可以不与第二隔膜接触。
优选地，当从阳极的表面生长的金属枝蔓晶体通过第一隔膜而在所述金属离子收集器的第一表面上与所述金属离子收集器电连接时，所述金属枝蔓晶体可以被吸收并收集于所述金属离子收集器中。优选地，在金属离子还没有从所述金属枝蔓晶体被收集于所述金属离子收集器中时的金属离子收集器的电势等于或大于在从所述阴极脱离的金属离子还没有被收集于所述阳极中时的阳极的电势。
在一个优选的方面，所述二次电池可以感测波动，在所述金属离子收集器与所述金属枝蔓晶体电连接并且所述阳极的电势变化时所述波动发生。可选地，当所述金属离子收集器的实时吸收容量等于或大于所述二次电池的期望衰竭容量时，所述二次电池可以指示其问题或停止其工作。
在进一步优选的实施方案中，当将金属离子收集器的实时吸收容量与具有该金属离子收集器的电池单元的期望衰竭容量相比，并且实时吸收容量超过期望衰竭容量的容量为参考容量或更高时，BMS(电池管理系统)可以警告使用者电池单元的问题或停止使用电池单元。
在示例性的二次电池中，通过从所述阳极脱离并被收集到所述阳极中的金属离子的结晶化，所述金属枝蔓晶体可以形成，并且所述金属离子可以包括锂离子、锰离子、钠离子和锌离子中的至少一种。
优选地，所述金属离子收集器的可逆容量可以适当地是所述阴极的可逆容量的大约20％至40％。此外，所述金属离子收集器可以包括包含碳、石墨、锡和硅的多孔材料。
进一步地，提供一种包括本申请所述的二次电池的车辆。
下面讨论本发明的其它方面和优选的具体实施方案。
附图说明
接下来将参照由所附附图显示的本发明的某些示例性实施方案来详细地描述本发明的以上及其它特征，这些附图在下文中仅以说明的方式给出，且因而对本发明是非限定性的，在这些附图中：
图1为根据本发明的示例性实施方案的示例性二次电池的截面结构；
图2描绘了在根据本发明的示例性实施方案的二次电池正常充电/放电时金属离子的示例性移动状态；
图3描绘了根据本发明的示例性实施方案的在示例性二次电池中示例性枝蔓晶体的示例性产生和吸收；
图4为根据本发明的示例性实施方案的示例性二次电池的截面结构以及在示例性二次电池正常充电/放电时金属离子的示例性移动状态；
图5为根据本发明的示例性实施方案的示例性二次电池中示例性枝蔓晶体的示例性产生和吸收。
应当了解，所附附图并非一定按比例地绘制，而仅显示了说明本发明的基本原理的各种优选特征的适当简化的表示。本发明所公开的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图中，贯穿附图的多幅图，相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并且不旨在为限制性的。正如本申请所使用的，除非上下文另有清楚的说明，单数形式“一”、“一个”和“该个”旨在同样包括复数形式。还将理解，当在本说明书中使用“包含”、“包括”、“具有”等术语时，指明存在所述特征、区域、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、区域、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非化石能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
进一步地，除非特别声明或者从上下文显而易见的，本申请所使用的术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文是清楚的，本文所提供的所有数值都通过术语“约”而受到限定。
下文将描述本发明，从而使本领域技术人员能容易地实现本发明。
如图1所示，根据本发明的示例性二次电池可以包括：阴极14、阳极12、电解质16、隔膜18以及金属离子收集器20；所述金属离子收集器20用于在充电/放电期间在阴极14与阳极12之间的金属离子的移动。
阴极14是在充电时放出金属离子并在放电时储存金属离子的电极。金属离子可以包括而不限于选自锂(Li)、锰(Mn)、钠(Na)和锌(Zn)中的至少一种，并且可以使用包括所选择的任一种离子的复合混合物(composite mixture)作为阴极活性材料。例如，从阴极14脱离并被吸收(或收集)入阳极的金属离子可以包括选自锂、锰、锌中的至少一种。
通过在溶剂中熔化并混合阴极活性材料与结合剂，并且用这样混合并制造的浆料覆盖金属基底，可以制造阴极14。
阳极12是在充电时收集来自阴极14的金属离子的电极，其可以包括选自石墨、碳(C)、锡(Sn)和硅(Si)中的至少一种，并且可以使用包括所选择的任一种材料的复合混合物作为阳极活性材料。在放电时，阳极12中收集的金属离子的一部分可以返回至阴极14。
通过在溶剂中熔化并混合阳极活性材料与结合剂，并且用这样混合并制造的浆料覆盖金属基底，从而可以制造阳极12。
电解质16使得金属离子能够在阴极14与阳极12之间以离子状态移动，并且电解质布置在阴极14与阳极12之间。优选地，根据示例性的实施方案，金属离子收集器20和隔膜18(即第一隔膜18a和第二隔膜18b)布置在电解质之间。
隔膜18(18a和18b)可以电性隔离阴极14与阳极12，从而在电池单元10充电/放电时防止电极之间的直接接触，并且防止金属离子收集器20与阴极14之间的直接接触以及金属离子收集器20与阳极12之间的直接接触。隔膜18可以成对(即第一隔膜18a和第二隔膜18b)设置，从而使得第一隔膜可以在金属离子收集器20的面向阳极12的第一表面上布置在阳极12与金属离子收集器20之间，而第二隔膜可以在金属离子收集器20的面向阴极14的第二表面上布置在阴极14与金属离子收集器20之间。进一步地，隔膜18可以适当地包括具有细孔(例如微孔、大孔(macropores)或纳米孔)的多孔绝缘件，只有在电解质16中移动的金属离子能够穿过所述多孔绝缘件。
例如，隔膜可以适当地包括选自相关技术中的由聚合物、无纺布和固体电解质制成的板状多孔绝缘件中的至少一种。优选地，可以使用耐热性高的多孔绝缘件作为隔膜以确保电池的安全性。进一步地，隔膜18可以适当地具有约6至30μm的厚度，以确保或改善电池的能量密度。
金属离子收集器20可以通过隔膜18而电绝缘，并且布置在阴极14与阳极12之间。在一个示例性实施方案中，如图4所示，仅金属离子收集器20的面向阳极12的一个表面(即第一表面)可以通过隔膜18(即第一隔膜18a)而被包裹并绝缘。在一个示例性实施方案中，如图1所示，金属离子收集器20的两个表面(即金属离子收集器20的面向阳极12的第一表面和面向阴极14的第二表面)可以分别通过第一隔膜18a和第二隔膜18b而被包裹并绝缘。
优选地，金属离子收集器20通过隔膜18a而至少在阳极侧的第一表面绝缘并且受到封装(packed)，其中，隔膜18a可以堆叠并布置为与金属离子收集器20的第一表面接触，从而使该表面绝缘。
布置在阳极12与金属离子收集器20之间的第一隔膜18是阳极侧隔膜18a，而布置在阴极14与金属离子收集器20之间的第二隔膜18是阴极侧隔膜18b。
如图1所示，当第一隔膜18a通过电解质16或第一电解质而与阳极12的面向金属离子收集器20的表面隔开时，第二隔膜18b可以堆叠在金属离子收集器20的第二表面上以使该第二表面绝缘并通过另一电解质16或第二电解质而与阴极14的表面隔开。
如图4所示，当第一隔膜18a与阳极12的面向金属离子收集器20的表面接触时，第二隔膜18b可以通过第二电解质16(下侧的)与阴极14的面向金属离子收集器20的表面隔开，并且可以通过第一电解质16(上侧的)而与金属离子收集器20的第二表面分隔。
金属离子收集器20可以与阳极12和阴极14绝缘，并且在电池单元10正常充电和放电时，金属离子可以通过电解质16而在阴极14与阳极12之间穿过或移动(见图2和图4)。优选地，在电池单元10充电和放电时，金属离子收集器20可以执行与隔膜18相同的功能。
进一步地，如图3和图5所示，当金属枝蔓晶体22由于电池单元10的充电而在阳极12的面向金属离子收集器20的表面上以针状生长并穿透第一隔膜18a时，金属枝蔓晶体22可以通过第一隔膜18a而与金属离子收集器20直接接触，而后阳极12与金属离子收集器20可以通过金属枝蔓晶体22而电连接。由此，电子可以从阳极12移动至金属离子收集器20，并且金属枝蔓晶体22的金属离子可以通过电子的移动而移动并被吸收入金属离子收集器20中。由此，可以逐渐消减并清除阳极12的表面上的金属枝蔓晶体22；而即便没有完全清除，也至少可以消减金属枝蔓晶体22，直到金属离子收集器20与阳极12之间的电连接消失。
随着金属枝蔓晶体22的生长如上所述地受到抑制，可以防止金属枝蔓晶体22生长和通过金属离子收集器20和第二隔膜18b而与阴极14发生接触。由此，可以防止由阳极12与阴极14之间的直接接触而导致的电池单元10中的短路。
也就是说，在电池单元10充电时，可以在枝蔓晶体22触及阴极14的表面之前，使在阳极12的表面上生长的金属枝蔓晶体22与金属离子收集器20电连接，其中，通过电子在金属离子收集器20与阳极12之间的移动，金属枝蔓晶体22的金属物质可以被离子化并被吸收入金属离子收集器20中。事实上，金属离子收集器20和阳极12可以通过金属枝蔓晶体22而瞬间地且暂时地相互连接。由此，可以防止由在阳极的表面上生长的金属枝蔓晶体22所导致的在电池单元10中的短路，并且可以改善电池单元10的安全性。
在电池单元10充电时，可以通过从阴极14上脱离并在阳极12中被收集的金属离子而形成金属枝蔓晶体22。金属离子可以在阳极12上结晶化并作为晶体生长，并且金属离子可以包括至少一种选自锂离子、锰离子、钠离子和锌离子中的作为阴极活性材料的离子。
进一步地，因为可以消减并清除金属枝蔓晶体22，所以可以去除阳极12与金属离子收集器20之间的通过金属枝蔓晶体22的电连接，并且可以通过阴极侧的隔膜18b而保持阳极12与阴极14之间的分隔(无接触)和绝缘。
由于金属离子收集器20通过在其两侧的第一隔膜18a和第二隔膜18b而与阳极12和阴极14电绝缘，在金属离子收集器20通过金属枝蔓晶体22与阳极12电连接时，阳极12的电势可能瞬间变化，所以可能会发生电池单元10的波动(ripple)。
因此，通过感测该波动，示例性的二次电池将能够发现电池单元10是否存在问题，所以能够更安全地使用电池。
可以通过阳极12与金属离子收集器20之间的通过金属枝蔓晶体22的电连接，以及金属离子收集器20对金属枝蔓晶体的吸收两者的反复进行而产生波动，因此可以在电池单元10的外部在阴极14与阳极12之间安装电压表，以感测电池单元10的波动。
也就是说，根据基于电池单元10的波动而设置的条件，示例性的二次电池会能够感测电池单元10是否存在问题；在金属离子收集器20与金属枝蔓晶体22电连接并且阳极12的电势变化时，所述波动会发生。例如，在波动大于预定的临界电压时，能够确定电池单元10存在问题。
金属离子收集器20可以包括与用作阳极活性材料的材料相同的材料，或者包括具有阳极活性材料的主要成分的复合混合物，从而使得金属离子收集器20可以执行与阳极12相似的功能。也就是说，金属离子收集器20可以吸收从阴极14的表面脱离并在阳极12的表面上被收集的金属离子。
优选地，金属离子收集器20的材料可以包括多孔材料，所述多孔材料包括复合混合物，所述复合混合物包括碳、石墨、锡和硅，能够在充电时吸收并收集从阴极表面脱离的金属离子。例如，可以适当地使用包括金属氧化物的多孔材料作为金属离子收集器20，所述金属氧化物包括碳基材料、锡基材料和硅基材料。
多孔材料的复合混合物可以适当地包括结合剂，且所述结合剂可以为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酰胺(PAA)、聚丙烯腈(PAN)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)和羟甲基化纤维素(CMC)中的至少一种。进一步地，为了保持用于复合混合物的多孔材料的孔，复合混合物的总重量的大约1-6％的重量百分比是结合剂，而剩余大约94-99％的重量百分比可以是碳基材料、锡基材料和硅基材料。
进一步地，由于可以在初始容量的60％至80％衰竭(deteriorated)之前确定电池在正常的使用范围中，所以金属离子收集器20的可逆容量可以适当地为阴极14的可逆容量的大约20％至40％。
考虑到电池单元10的能量密度以及阳极12通常的内在功能，阳极12的可逆容量可以为阴极14的可逆容量的大约105％至130％。
进一步地，在金属离子收集器20不从与金属离子收集器20电连接的金属枝蔓晶体22收集金属离子的状态下的金属离子收集器20的电势(金属离子收集器的初始电势)的值可以适当地等于或大于在阳极不收集从阴极14脱离的金属离子的状态下(在初始充电前)的阳极12的电势(初始电势)的值。这是因为，只有在金属离子收集器20的电势高于阳极12的电势时，金属离子收集器20才可以收集金属离子。
金属离子收集器20的电势值以及阳极12的电势值可以是基于标准点测量的电势值(电势)，标准点可以是包括在阴极活性材料中的金属材料(锂等)的氧化还原电势。
进一步地，可以将吸收并收集金属枝蔓晶体22的金属离子的金属离子收集器20的实时吸收容量与具有金属离子收集器20的电池单元10的期望衰竭容量相比较，从而根据比较的结果而发出警告，以使得使用者知道电池单元的问题，或使得使用者停止使用电池。
实时吸收容量是指金属离子收集器20中当前吸收的金属离子的容量，而期望衰竭容量是指正常电池单元10的衰竭的容量，也即，在电池单元10正常时的期望的电池单元10的衰竭的容量。
具体地，在金属离子收集器20的实时吸收容量比期望衰竭容量大达到或超过参考容量的容量时，例如，当金属离子收集器20的实时吸收容量比电池单元10的期望衰竭容量高大约5％至10％的条件满足时，可以发出警告，或者电池停止使用。
为此目的，用于管理电池的系统可以将金属离子收集器20的实时吸收容量与电池单元10的期望衰竭容量相比较，并且可以发出警告以使得使用者能够辨识电池单元10的问题，或者使正使用包括该金属离子收集器20的电池单元10的使用者停止。
例如，装配有二次电池作为动力源的车辆的电池管理系统(Battery ManagementSystem，BMS)可以应用为这种系统。
电池单元10的衰竭容量是指电池单元10的初始容量与当前容量(实时剩余容量)之间的差。
如上所述，根据本发明的二次电池，由于布置在阳极12与阴极14之间的金属离子收集器20可以通过吸收在电池单元10使用时在阳极12的表面上产生的金属枝蔓晶体22而抑制金属枝蔓晶体22的生长，所以可以有效地防止由于阳极12与阴极14之间通过金属枝蔓晶体22的直接接触而导致的短路，并且基于由于阳极12与金属离子收集器20之间通过金属枝蔓晶体22的电连接而产生的波动，可以容易地确定电池是否有功能问题，从而最小化使用该电池单元的安全性问题。
也就是说，通过抑制金属枝蔓晶体22的生长，本发明的二次电池可以防止电池单元10中的短路，所述金属枝蔓晶体22通过在电池单元10充电时从阴极14的表面移动至阳极12的表面的金属离子而在阳极12的表面上生长；并且，通过感测在金属枝蔓晶体22吸收入金属离子收集器20中时所产生的波动，可以容易地检测电池单元10的问题。
根据本发明的二次电池，在电池单元充电时，在金属枝蔓晶体触及阴极表面之前，在阳极表面上生长的金属枝蔓晶体可以与金属离子收集器电连接，其中，枝蔓晶体被吸收并被收集于(进入)金属离子收集器中，所以可以抑制枝蔓晶体的生长，并且防止由于枝蔓晶体导致的短路。
进一步地，根据二次电池，由于金属离子收集器与阳极和阴极电绝缘，在金属离子收集器通过枝蔓晶体而与阳极电连接时，阳极电势会瞬间变化，从而发生波动。由此，可以确定电池是否存在问题，并且可以通过感测波动而提供对电池的更安全的使用。
虽然上文详细描述本发明的实施方案，但本发明的范围不限于此；本领域技术人员根据由随附权利要求所定义的本发明的精神的各种变化和修改也包括在本发明的范围中。

Claims (13)

1.一种二次电池，其包括：
阴极；
阳极；
电解质，其包括第一电解质和第二电解质，并布置在阴极与阳极之间；
隔膜，其包括第一隔膜和第二隔膜，并布置在阴极与阳极之间；
金属离子收集器，其布置在阴极与阳极之间，其中，至少所述金属离子收集器的面向所述阳极的第一表面与所述第一隔膜接触。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述金属离子收集器的第一表面通过所述第一隔膜而绝缘。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中，当所述第一电解质布置在所述第一隔膜的面向所述阳极的第一表面与所述阳极的表面之间时，所述金属离子收集器在所述金属离子收集器的面向所述阴极的第二表面上与所述第二隔膜接触。
4.根据权利要求3所述的二次电池，其中，所述金属离子收集器的第二表面通过所述第二隔膜而绝缘。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中，当所述第一隔膜与所述阳极的表面接触时，所述第二电解质布置在所述金属离子收集器的面向所述阴极的第二表面与所述第二隔膜的面向所述阳极的第一表面之间。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中，当从所述阳极的表面生长的金属枝蔓晶体通过在所述金属离子收集器的第一表面上的第一隔膜而与所述金属离子收集器电连接时，所述金属枝蔓晶体被收集于所述金属离子收集器中。
7.根据权利要求6所述的二次电池，其中，在所述金属离子收集器不从所述金属枝蔓晶体收集金属离子时的金属离子收集器的电势等于或大于当从所述阴极脱离的金属离子不被收集于所述阳极中时的所述阳极的电势。
8.根据权利要求6所述的二次电池，其中，所述二次电池能够感测波动，在所述金属离子收集器与所述金属枝蔓晶体电连接并且所述阳极的电势变化时所述波动发生。
9.根据权利要求6所述的二次电池，其中，当所述金属离子收集器的实时吸收容量等于或大于所述二次电池的期望衰竭容量时，所述二次电池能够指示其缺陷或停止工作。
10.根据权利要求6所述的二次电池，其中，通过从所述阴极脱离并被收集到所述阳极中的金属离子的结晶化，所述金属枝蔓晶体形成，并且所述金属离子包括锂离子、锰离子、钠离子和锌离子中的至少一种。
11.根据权利要求6所述的二次电池，其中，所述金属离子收集器的可逆容量是所述阴极的可逆容量的20％至40％。
12.根据权利要求6所述的二次电池，其中，所述金属离子收集器包括包含碳、石墨、锡和硅的多孔材料。
13.一种车辆，其包括权利要求1所述的二次电池。
CN201711445070.8A 2017-10-25 2017-12-27 防止枝蔓晶体生长的二次电池 Withdrawn CN109713201A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2017-0139579 2017-10-25
KR1020170139579A KR20190046237A (ko) 2017-10-25 2017-10-25 덴드라이트 성장을 억제하는 이차전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109713201A true CN109713201A (zh) 2019-05-03

Family

ID=66171230

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711445070.8A Withdrawn CN109713201A (zh) 2017-10-25 2017-12-27 防止枝蔓晶体生长的二次电池

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20190123325A1 (zh)
KR (1) KR20190046237A (zh)
CN (1) CN109713201A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111477950A (zh) * 2020-05-14 2020-07-31 华鼎国联四川动力电池有限公司 一种改善循环和倍率的固态电解质
CN113678295A (zh) * 2019-10-11 2021-11-19 株式会社Lg新能源 锂二次电池及其制造方法
CN113812038A (zh) * 2019-05-13 2021-12-17 旭化成株式会社 蓄电装置用分隔件及蓄电装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112514127A (zh) * 2018-07-13 2021-03-16 南洋理工大学 用于充电电池的具有电化学活性的中间层
KR102398953B1 (ko) 2021-12-29 2022-05-17 한국화학연구원 아연 덴드라이트 형성이 억제된 아연이온 이차전지, 전기화학적으로 유도된 아연친화성 3d 그래핀 탄소시트 및 이의 제조방법

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5006428A (en) * 1989-11-28 1991-04-09 Yardney Technical Products, Inc. Getter electrode and improved electrochemical cell containing the same
CN1363124A (zh) * 2000-02-24 2002-08-07 日本电池株式会社 非水电解质二次电池
US20040076872A1 (en) * 2002-10-21 2004-04-22 Takuya Kinoshita Battery apparatus and method for monitoring battery state
CN101542777A (zh) * 2007-02-05 2009-09-23 Lg化学株式会社 具有多孔活性涂层的有机/无机复合隔膜以及包含该隔膜的电化学器件
US20110104571A1 (en) * 2009-11-02 2011-05-05 Aruna Zhamu Nano-structured anode compositions for lithium metal and lithium metal-air secondary batteries
WO2012165624A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 富士シリシア化学株式会社 セパレータ、電気化学素子、及びセパレータの製造方法
CN103907222A (zh) * 2011-11-03 2014-07-02 Sk新技术株式会社 具有优异的耐热性和稳定性的微孔聚烯烃复合膜及其制造方法
US20140239918A1 (en) * 2013-02-28 2014-08-28 Brooke Schumm, Jr. Combination and modified electrolyte to reduce risk of premature lithium ion battery failure, including in aircraft applications
CN105393401A (zh) * 2013-06-28 2016-03-09 英特尔公司 检测机构
CN106159313A (zh) * 2015-05-15 2016-11-23 三星电子株式会社 锂金属电池
CN106183767A (zh) * 2015-05-25 2016-12-07 丰田自动车株式会社 电动车辆和电池组
EP3136475A1 (en) * 2015-08-31 2017-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium metal battery

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5006428A (en) * 1989-11-28 1991-04-09 Yardney Technical Products, Inc. Getter electrode and improved electrochemical cell containing the same
CN1363124A (zh) * 2000-02-24 2002-08-07 日本电池株式会社 非水电解质二次电池
US20040076872A1 (en) * 2002-10-21 2004-04-22 Takuya Kinoshita Battery apparatus and method for monitoring battery state
CN101542777A (zh) * 2007-02-05 2009-09-23 Lg化学株式会社 具有多孔活性涂层的有机/无机复合隔膜以及包含该隔膜的电化学器件
US20110104571A1 (en) * 2009-11-02 2011-05-05 Aruna Zhamu Nano-structured anode compositions for lithium metal and lithium metal-air secondary batteries
WO2012165624A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 富士シリシア化学株式会社 セパレータ、電気化学素子、及びセパレータの製造方法
CN103907222A (zh) * 2011-11-03 2014-07-02 Sk新技术株式会社 具有优异的耐热性和稳定性的微孔聚烯烃复合膜及其制造方法
US20140239918A1 (en) * 2013-02-28 2014-08-28 Brooke Schumm, Jr. Combination and modified electrolyte to reduce risk of premature lithium ion battery failure, including in aircraft applications
CN105393401A (zh) * 2013-06-28 2016-03-09 英特尔公司 检测机构
CN106159313A (zh) * 2015-05-15 2016-11-23 三星电子株式会社 锂金属电池
CN106183767A (zh) * 2015-05-25 2016-12-07 丰田自动车株式会社 电动车辆和电池组
EP3136475A1 (en) * 2015-08-31 2017-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium metal battery

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113812038A (zh) * 2019-05-13 2021-12-17 旭化成株式会社 蓄电装置用分隔件及蓄电装置
CN113678295A (zh) * 2019-10-11 2021-11-19 株式会社Lg新能源 锂二次电池及其制造方法
CN111477950A (zh) * 2020-05-14 2020-07-31 华鼎国联四川动力电池有限公司 一种改善循环和倍率的固态电解质

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190046237A (ko) 2019-05-07
US20190123325A1 (en) 2019-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109713201A (zh) 防止枝蔓晶体生长的二次电池
KR101758002B1 (ko) 비수전해질 이차 전지
US20120169297A1 (en) Secondary battery with a rapid charging capability
KR101943719B1 (ko) 비수 전해질 이차 전지용 세퍼레이터 및 이를 구비한 전지
KR101799173B1 (ko) 비수전해질 이차 전지
KR20100014606A (ko) 최적화된 에너지 저장 장치
JP6647866B2 (ja) 独立した電源を有するシステムにおける電池の充電状態の制御
KR101512170B1 (ko) 리튬이차전지용 고체 전해질 복합 부직포 분리막 및 이의 제조방법
JP2013084566A (ja) 非水電解質二次電池
KR20180016917A (ko) 리튬 이차 전지
KR20140038930A (ko) 전기 화학 전지
KR20180000344A (ko) 비수전해질 이차 전지
KR101906022B1 (ko) 리튬 이온 이차 전지의 제조 방법
JPWO2018043375A1 (ja) 蓄電素子およびその製造方法
JP2013073705A (ja) リチウムイオン二次電池
US20220085414A1 (en) Energy storage device and method for manufacturing energy storage device
KR101799172B1 (ko) 비수전해질 이차 전지
JP2014209414A (ja) リチウムイオン二次電池
US9865878B2 (en) Energy storage device
JP6770701B2 (ja) 蓄電素子
JP2016186886A (ja) 蓄電素子
JP6437114B2 (ja) バッテリセル用電極、及び、バッテリセル
KR20210035646A (ko) 전해질용 첨가제, 이를 포함하는 전해질 및 에너지 저장 디바이스
JP6880488B2 (ja) リチウムイオン二次電池
JPWO2018155314A1 (ja) 非水電解質蓄電素子及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20190503

WW01 Invention patent application withdrawn after publication