CN110710049B - 具有低反离子渗透率层的电池 - Google Patents

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Abstract

用于电池单元的电极配置包括：正极、负极、介于正极和负极之间的隔离物、以及介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层。隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率，并且低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率。隔离物包括邻近低反离子渗透率层的第一盐浓度和邻近负极的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度。

Description

具有低反离子渗透率层的电池
优先权要求
本申请要求2017年6月7日提交的题为“Battery Having a Lower Counter-IonPermeability Layer”的美国临时申请序列号62/516,259的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及电池，并且更特别地涉及用于电池的电极配置。
背景技术
在电池中，离子在充电和放电循环期间在负极和正极之间转移。例如，在放电时，电子从负极通过外部电路流向正极，以在外部电路中生成电流。在此过程中，正离子（例如锂离子电池中的锂离子）在电池内从负极通过电解质行进到正极。相反，在充电时，外部电路供应电流，其使电子流反向从正极通过外部充电电路而回到负极，而正离子在电池内从正极通过电解质移动到负极。
确定电池性能的两个重要度量是电池的能量密度或所存储的能量与电池的体积或大小之比、以及电池可以充电或放电的速率。在常规电池中，在电池的能量密度和电池可以充电或放电的速率之间存在权衡。对于给定的一组电池材料，可以通过例如改变电极中的活性材料的量来修改能量和充电/放电速率。电极中的活性材料的量可以通过减少电解质所占据的孔隙空间或增加电极的厚度来增加。然而，这些修改中的任一者都会导致单元（cell）可以充电或放电的速率的降低。
针对电池的充电和放电速度的一个特定限制因素被称为浓度极化。如上所述，在充电和放电期间，分别邻近正极和负极的电解质中的离子分别从电极通过电解质行进而到达负极和正极中的另一者。反离子（counter-ion）或不参与负极和正极处的反应的离子倾向于在与活性离子移动方向相反的方向上迁移。在充电期间，离子行进会导致正极处的离子积累和负极处的离子耗竭。相反，在放电期间，离子行进会导致负极处的离子积累和正极处的离子耗竭。该离子积累和耗竭称为浓度极化。
紧邻近正极或负极的电解质中的浓度极化降低了电池可以充电和放电的速度，这是因为邻近相应电极存在可以参与电化学反应的减少数量的活性离子。此外，在一些情况下，邻近正极和/或负极的活性离子可能被耗竭到在电池中发生不合期望的反应的程度，从而造成对电池的损坏。
一些常规电池尝试通过增加电池中的反应离子的迁移率来减少浓度极化。然而，增加反应离子的迁移率需要重新设计电池中的电解质，这可能涉及许多其他考虑因素，可能会增加电池的成本，并可能以其他方式降低电池的效率。
因此，需要的是减少电池的浓度极化以改进电池的效率和性能的替代方式。
发明内容
在一个实施例中，一种用于电池单元的电极配置包括：正极、负极、置于正极和负极之间的隔离物、以及介于隔离物与正极之间的低反离子渗透率层。隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率，并且低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率。隔离物包括邻近低反离子渗透率层的第一盐浓度和邻近负极的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度。
在一些实施例中，低反离子渗透率层包括施加到正极的膜。在另外的实施例中，膜包括以下中的一种或多种：LATP；LLZO；LLTO；离子交换聚合物；磺化四氟乙烯；混合导体；和TiS2。
在电极配置的另一实施例中，低反离子渗透率层包括以使得所述低反离子渗透率层形成所述隔离物和所述正极之间的锂传导材料的渗透网络的方式嵌入在惰性非传导聚合物中的LATP。
在电极配置的一些实施例中，低反离子渗透率层由沉积在所述正极上的LiPON形成。
在另一实施例中，反离子包括邻近正极的第一反离子和邻近负极的第二反离子，并且第一反离子不同于第二反离子。在一个特定的实施例中，第一反离子由LiBF4提供，并且第二反离子由LiTFSI提供。
在一些实施例中，正极包括第一溶剂，并且隔离物包括第二溶剂，第一溶剂不同于第二溶剂。低反离子渗透率层具有针对第一和第二溶剂的低渗透率，使得第一和第二溶剂由低反离子渗透率层分开。
在另一实施例中，第一溶剂包括乙腈，并且第二溶剂包括聚环氧乙烷。正极还包括包含NCA的正极活性材料。
在一些实施例中，电极配置还包括邻近负极的碳酸亚乙烯酯添加剂。
在一个实施例中，低反离子渗透率层包括嵌入在与形成隔离物和正极之一的材料相同的材料中的多个颗粒或薄片。
在电极配置的一些实施例中，低反离子渗透率层具有小于500微米的厚度。
在另一实施例中，隔离物由聚环氧乙烷与盐或固体聚合物电解质形成。
在另一实施例中，正极包括第一固体离子传导材料，并且负极电解质包括第二固体离子传导材料。
在根据本公开的一个实施例中，一种电池单元包括电极配置，该电极配置包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔离物、以及介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层。隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率，并且低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率。隔离物包括邻近低反离子渗透率层的第一盐浓度和邻近负极的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度。
在另一实施例中，一种用于电池单元的电极配置包括：正极、负极、介于正极和负极之间的隔离物、以及介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层。隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率，并且低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率。反离子包括邻近正极的第一反离子和邻近负极的第二反离子，第一反离子与第二反离子不同。
在一个实施例中，第一反离子由LiBF4提供，并且第二反离子由LiTFSI提供。在一些实施例中，邻近正极的LiBF4的第一浓度小于邻近负极的LiTFSI的第二浓度。
附图说明
图1是根据本公开的电池组的示意图。
图2是图1的电池组的电池单元的示意图。
图3是图1的电池组的电池单元的示意图。
图4a是与常规电池单元相比的、比较图2的电池单元的离子浓度针对距负极的距离的图形。
图4b是在恒定电流充电期间的与常规电池单元相比的、比较图2的电池单元的电荷针对时间的图形。
具体实施方式
为了促进对本文描述的实施例的原理的理解的目的，现在参考以下书面说明书中的描述和附图。这些参考不意图限制主题的范围。本公开还包括对所示的实施例的任何改变和修改，并且包括本文档所属领域的技术人员通常会想到的所描述实施例的原理的进一步应用。
各种操作可以继而以最有助于理解所要求保护的主题的方式被描述为多个离散的动作或操作。然而，描述的次序不应解释为暗示这些操作必须依赖于次序。特别地，这些操作可能不按呈现的次序执行。可以以与所描述实施例不同的次序来执行所描述的操作。在附加实施例中可以执行各种附加操作和/或可以省略所描述的操作。
关于本公开的实施例使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。
下面讨论的本公开的实施例适用于任何期望的电池化学。为了说明的目的，一些示例涉及锂离子电池。如本文所用，术语“锂离子电池”是指包括锂作为活性材料的任何电池。特别地，锂离子电池包括但不限于具有液体电解质、固体电解质的锂和通常称为锂聚合物电池或锂离子聚合物电池的电池。
现在参考图1，电池组100包括布置在组壳体104中的多个电池单元102。每个电池单元102包括单元壳体106，正端子108和负端子112从所述单元壳体106暴露。在并联布置中，正端子108可以通过集流体116彼此连接，并且负端子112可以通过不同的集流体120彼此连接。在串联布置中，正端子108可以通过集流体连接到邻近的负端子112。集流体116、120连接到相应的正和负电池组端子124、128，其连接到可以由电池组100供电或可以被配置成对电池组100充电的外部电路132。
如图2所示，每个电池单元102包括电极配置200，其每个包括正极204、低反离子渗透率层208、隔离物层212和负极216。在一些实施例中，电极配置200的多个层堆叠在彼此的顶部上以形成电极堆叠。在其他实施例中，电极配置200以螺旋形状缠绕其自身，以便形成所谓的“果冻卷”或“瑞士卷”配置。
在一个实施例中，从正极204开始形成电极配置200。可以使用常规电池涂覆技术来涂覆正极204。正极可以具有1至500微米的厚度，并且包含活性材料、导电材料，并且在一些实施例中包含将各种材料粘合在一起的粘合剂材料。在各种实施例中，活性材料可以包括以下中的一种或多种：NCM（镍钴锰氧化物）、FePO4（磷酸铁（III））、LiCoO2（锂钴氧化物）、NCA（镍钴铝氧化物）、FeF3、FeS2、氧化钒、硫、氧或任何其他合适的正极活性材料。导电材料可以包括炭黑、金属颗粒、或另一种合适的导电材料中的一种或多种。粘合剂材料可以是例如聚偏二氟乙烯（“PVDF”）。
正极204还包括离子传导材料，其可以在组装电池时存在于正极204上，或者其可以在后续步骤中添加。例如，在具有固体离子传导材料的实施例中，离子传导材料可以在组装电池之前存在于正极中。在一些实施例中，固体离子传导材料是具有盐的聚合物，例如具有盐的聚环氧乙烷（polyethylene oxide）。在具有液体离子传导材料的实施例中，可以在随后的步骤中添加离子传导材料。液体离子传导材料可以是例如碳酸盐与盐的混合物。
低反离子渗透率层208可以具有各种组成，包括陶瓷、玻璃和聚合物中的一种或多种。该层必须具有比非活性（passive）离子的渗透率更大的活性离子的渗透率。在一些实施例中，层208是导电的，而在其他实施例中，层208不是导电的。具有低反离子渗透率的层208可以作为薄膜而涂敷到正极204，或者可以将层208沉积在正极204上。在具有涂敷到正极204的膜的实施例中，膜的材料可以包括以下中的一种或多种：LATP（磷酸钛铝锂）、LLZO（锂镧锆氧化物或锆酸锂镧）、LLTO（锂镧钛氧化物或钛酸锂镧）、离子交换聚合物（诸如磺化四氟乙烯）、混合导体（诸如TiS2）、以及具有比对非活性离子的渗透率更大的对活性离子的渗透率的任何其他合适的低反离子渗透率材料。在一些实施例中，通过烧结膜的粉末颗粒、然后将烧结的颗粒放置在正极204的表面上来形成薄膜层208。薄膜层208与正极204之间的接触和粘附可以通过使用压力和/或高温来改进。在一些实施例中，膜层208的厚度小于500微米，并且在另外的实施例中，膜层208的厚度小于20微米、小于5微米或小于1微米。在一些实施例中，低反离子渗透率层可以包括传导工作离子的（一种或多种）材料、以及对工作离子和反离子两者都具有低渗透率的（一种或多种）材料两者。例如，该层可以由嵌入在惰性、非传导聚合物中的诸如LATP之类的锂传导陶瓷颗粒构成，使得在隔离物和正极之间存在锂传导材料的渗透网络。
在其中低反离子渗透率层208沉积在正极204上的实施例中，低反离子渗透率层208可以由LiPON（锂磷氧氮）或可以沉积在正极204上的另一合适的低反离子渗透率材料形成。低反离子渗透率层208的材料可以通过例如溅射沉积、ALD（原子层沉积）、PLD（脉冲层沉积）、溶液或浆料涂覆、或另一合适的沉积技术而沉积在正极204上。
接下来，将隔离物层212添加到低反离子渗透率层208。在一些实施例中，隔离物层212的厚度小于500微米，并且在另外的实施例中，隔离物层212的厚度小于20微米。在一些实施例中，隔离物层212由具有盐或固体聚合物电解质的聚环氧乙烷形成。在具有固体聚合物电解质的实施例中，可以使用与期望电池类型兼容的任何合适的固体聚合物电解质。在一些实施例中，固体聚合物电解质还可以包括改进离子传导性的一种或多种电解质盐。例如，在锂离子电池中，这种电解质的示例包括但不限于包含分别构成离子传导相和结构相的离子传导嵌段（block）和结构嵌段的嵌段共聚物。离子传导相可以包含一种或多种线性聚合物，诸如聚醚、聚胺、聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸烷基酯、聚腈、全氟聚醚、被高介电常数基团（诸如腈、碳酸盐和砜）取代的碳氟聚合物、以及其组合。线性聚合物也可以与聚硅氧烷、聚膦嗪、聚烯烃和/或聚二烯组合用作接枝共聚物以形成传导相。结构相可以由聚合物制成，诸如聚苯乙烯、氢化聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚乙烯基吡啶、聚乙烯基环己烷、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯、聚烯烃、聚（叔丁基乙烯基醚）、聚（甲基丙烯酸环己酯）、聚（环己基乙烯基醚）、聚（叔丁基乙烯基醚）、聚乙烯、聚苯醚、聚（2,6-二甲基-1,4-苯醚）（PXE）、聚苯硫醚、聚（苯硫醚砜）、聚苯硫醚酮、聚苯硫醚酰胺、聚砜、碳氟化合物（诸如聚偏二氟乙烯）或包含苯乙烯、甲基丙烯酸酯或乙烯基吡啶的共聚物。在一些实施例中，结构相是刚性的并且处于玻璃态或结晶态。可以在2015年9月15日授权的美国专利号9,136,562、2014年11月18日授权的美国专利号8,889,301、2013年10月22日授权的美国专利号8,563,168和2012年9月18日授权的美国专利号8,268,197中找到关于此类嵌段共聚物电解质的更多信息，所有这些美国专利的内容通过引用以其整体并入本文。
最后，在隔离物层212完成之后，添加负极216。在一个实施例中，负极216是多孔负极，而在其他实施例中，负极216是金属箔。在其中负极216是多孔负极的实施例中，可以使用常规电池涂覆技术来涂覆负极材料。负极216包括活性材料、导电材料，并且在一些实施例中包括粘合剂材料。在各个实施例中，负极216的活性材料可以是石墨、LTO（钛酸锂）、硅、氧化硅或另一种合适的负极活性材料。导电材料可以是炭黑或另一种合适的导电材料。粘合剂可以是PVDF或另一种合适的粘合剂材料。
与正极204相似，固体离子传导材料可以在电池组装之前存在于负极216中，或者可以在随后的步骤中添加液体离子传导材料。固体离子传导材料可以是例如具有盐的聚环氧乙烷。液体离子传导材料可以是例如碳酸盐与盐的混合物。
在其中负极216是金属箔的实施例中，箔被涂敷到隔离物212的表面。箔可以是例如锂、钠、钾、镁、锌或另一合适的负极材料。
在其中电池包括液体电解质的实施例中，在负极216完成之后添加液体电解质。最后，通过添加集流体和壳体来完成电池。
虽然以上描述了制造其中正极204、低反离子渗透率层208、隔离物212和负极216按该次序制造的电极配置200，但是读者应理解，电极配置200可以以任何合适的次序形成，例如以负极216开始并以正极204结束、或者同时或作为子组装件形成电池的各个部分。
在根据本公开的电池100中，与常规电池相反，电极配置200包括具有针对反离子的低渗透率的层208，所述反离子是不参与电极反应的离子。例如，可以在锂离子电池中使用的一种盐是LiPF6（六氟磷酸锂）。锂离子Li+在电池的操作期间在电极处反应。PF6 -离子在电极处不反应并且被视为反离子。如本文所用，“针对反离子的低渗透率”被限定为意味着低反离子渗透率层208具有与电极反应中涉及的离子的渗透率相比更低的针对反离子的渗透率。
在电池放电期间，锂离子流过隔离物212从负极216到正极204。在常规电池中，在放电期间，反离子倾向于沿相反的方向从正极流向负极。这导致离子的浓度在负极附近变大，而在正极附近变低，如上所述，除了电池中潜在不期望的反应之外，还可能导致电池的降低的充放电容量和速度。低反离子渗透率层208在电池100的放电期间阻止了反离子从正极204到负极216的移动。结果，使负极和正极附近的离子的浓度保持更接近稳态浓度。因此，减少了电池100中的负浓度极化效应。
在电池的充电期间，低反离子渗透率层208在电极配置200中相反地执行基本上相同的功能。这样，如图4a所示，与常规电池相比，在具有电极配置200的电池100中，负极附近的离子浓度更大。如图4b所示，浓度极化的这种减少提供了改进的充电速度和容量，图4b示出了具有电极配置200的电池100的充电速率与具有常规电极配置的电池的充电速率之间的比较。在一个实施例中，低反离子渗透率层208使得电极配置200能够包括与邻近负极216不同的邻近正极204的反离子。特别地，低反离子渗透率层208可以抑制离子和盐在正极204和负极216之间的移动。例如，在一个实施例中，LiBF4（四氟硼酸锂）是用于提供邻近正极204或正极204中的反离子的盐，而LiTFSI（双（三氟甲烷磺酰基）酰亚胺锂）是用于提供邻近负极204或负极204中的反离子的盐。低反离子渗透率层208阻止了反离子和盐在正极204和负极216之间的移动，这使得不同的离子能够在相应的电极处使用而不会混入电池中。与遍及电池使用单一盐相比，在正极204和负极216处使用不同的反离子提供了更高的电压稳定性，降低了生产成本和/或使得能够实现更高的电流密度，这是因为电池可以被设计用于负极和正极处的与常规电池相比更少的不利反应。
另外，本公开的低反离子渗透率层208使得电池100能够在正极附近具有与在负极附近不同的溶剂，条件是其还是针对溶剂的低渗透率层。例如，在一个实施例中，溶剂聚环氧乙烷（或包含聚环氧乙烷的嵌段共聚物）用作隔离物212中的电解质，而乙腈用作正极204中的电解质。由于乙腈的高电压稳定性，该组合有利地使得能够使用更高电压正极活性材料（例如NCA），从而增加了能量密度，同时也允许低电压稳定机械鲁棒隔离物212。
在另一实施例中，低反离子渗透率层208还抑制邻近负极216的盐和邻近正极204的盐的混合。结果，电池100可以具有与邻近正极204的隔离物212中或正极204中的盐的浓度不同的邻近负极216的隔离物212中的或负极216中的盐的浓度。在一个特定的实施例中，邻近负极216或负极216中的盐的浓度大于邻近正极204或正极204中的盐的浓度。
使用不同的盐浓度使得电池100能够具有更大的充电速率能力，并且还降低了电池100的老化。负极中或邻近负极的浓度的范围可以在10质量％至99质量％之间，而正极中或邻近正极的浓度的范围可以在10质量％至99质量％之间。在一个特定的实施例中，负极中或邻近负极的盐浓度可以与正极中或邻近正极的盐浓度相差至少5质量％。在另一实施例中，负极中或邻近负极的盐浓度可以与正极中或邻近正极的盐浓度相差至少10质量％、至少25质量％或至少50质量％。在各种实施例中，负极中或邻近负极的盐浓度与正极中或邻近正极的盐浓度之间的差异可以在1％至90％之间、或者在1％至90％之间的范围内的任何值。
此外，在一些实施例中，低反离子渗透率层208的添加使得能够在负极216附近和在正极204附近使用不同的添加剂。这样的添加剂可以改进电极配置200中的材料之间的界面稳定性。例如，在一些实施例中，可以针对负极216使用碳酸亚乙烯酯。
在另一实施例中，在负极216中具有最少的锂或没有锂的情况下组装锂离子电池单元。例如，在铜集流体面对隔离物212、并且可选地在铜集流体的表面上具有吸附层的情况下组装单元。在不同的实施例中，单元可以具有铜集流体，其中例如通过热蒸发将锂的薄层沉积到铜上。在这些情况中的任何一种下，在组装单元时，在电极之间来回循环的大部分锂将首先存储在正极活性材料中。
在图3所示的另一实施例中，根据本公开的电极配置220包括低反离子渗透率层，其由嵌入在隔离物212或与隔离物中存在的相同的材料中或嵌入在正极204或与正极204中存在的相同的材料中的低反离子渗透率的颗粒或薄片224形成。在一个实施例中，颗粒层224的厚度小于20μm，在另一实施例中，厚度小于2μm，并且在另一实施例中，颗粒层224的厚度小于1μm。颗粒本身的尺寸小于层224的厚度。
在其他实施例中，低反离子渗透率层208在层208内包括针孔或裂缝。
将意识到，上述和其他特征和功能的变型或其替代方案可以期望地组合到许多其他不同的系统、应用或方法中。本领域技术人员可以随后进行各种目前无法预见或无法预料的替代方案、修改、变型或改进，这些也意在被上述公开内容所涵盖。

Claims (17)

1.一种用于电池单元的电极配置，包括：
正极；
负极；
介于正极和负极之间的隔离物，所述隔离物具有针对反离子的第一渗透率，所述反离子不参与电池电极反应；和
介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层，所述低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率，
其中，隔离物包括与低反离子渗透率层邻近的第一盐浓度和与负极邻近的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度，
其中，所述正极包括第一溶剂，并且所述隔离物包括第二溶剂，所述第一溶剂不同于所述第二溶剂，并且所述低反离子渗透率层具有针对第一和第二溶剂的低渗透率，使得第一和第二溶剂由所述低反离子渗透率层分开。
2.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述低反离子渗透率层包括施加到所述正极的膜。
3.根据权利要求2所述的电极配置，其中，所述膜包括以下中的一种或多种：LATP；LLZO；LLTO；离子交换聚合物；磺化四氟乙烯；混合导体；和TiS2。
4.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述低反离子渗透率层包括以使得所述低反离子渗透率层形成所述隔离物和所述正极之间的锂传导材料的渗透网络的方式嵌入在惰性非传导聚合物中的LATP。
5.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述低反离子渗透率层由沉积在所述正极上的LiPON形成。
6.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述反离子包括与所述正极邻近的第一反离子和与所述负极邻近的第二反离子，所述第一反离子与所述第二反离子不同。
7.根据权利要求6所述的电极配置，其中，所述第一反离子由LiBF4提供，并且所述第二反离子由LiTFSI提供。
8.根据权利要求1所述的电极配置，其中：
第一溶剂包括乙腈，并且第二溶剂包括聚环氧乙烷，并且
所述正极还包括包含NCA的正极活性材料。
9.根据权利要求1所述的电极配置，还包括：
与所述负极邻近的碳酸亚乙烯酯添加剂。
10.根据权利要求1所述的电极配置，其中：
所述低反离子渗透率层包括嵌入在与形成所述隔离物和所述正极之一的材料相同的材料中的多个颗粒或薄片。
11.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述低反离子渗透率层具有小于500微米的厚度。
12.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述隔离物由聚环氧乙烷与盐或固体聚合物电解质形成。
13.根据权利要求1所述的电极配置，其中，所述正极包括第一固体离子传导材料，并且所述负极电解质包括第二固体离子传导材料。
14.一种电池单元，包括：
电极配置，其包括：
正极；
负极；
介于正极和负极之间的隔离物，所述隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率；和
介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层，所述低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率，
其中，所述隔离物包括与低反离子渗透率层邻近的第一盐浓度和与负极邻近的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度，
其中，所述正极包括第一溶剂，并且所述隔离物包括第二溶剂，所述第一溶剂不同于所述第二溶剂，并且所述低反离子渗透率层具有针对第一和第二溶剂的低渗透率，使得第一和第二溶剂由所述低反离子渗透率层分开。
15.一种用于电池单元的电极配置，包括：
正极；
负极；
介于正极和负极之间的隔离物，所述隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率；和
介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层，所述低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率，
其中，所述反离子包括与正极邻近的第一反离子和与负极邻近的第二反离子，所述第一反离子与所述第二反离子不同，
其中，所述正极包括第一溶剂，并且所述隔离物包括第二溶剂，所述第一溶剂不同于所述第二溶剂，并且所述低反离子渗透率层具有针对第一和第二溶剂的低渗透率，使得第一和第二溶剂由所述低反离子渗透率层分开。
16.根据权利要求15所述的电极配置，其中，所述第一反离子由LiBF4提供，并且所述第二反离子由LiTFSI提供。
17.根据权利要求16所述的电极配置，其中，与正极邻近的LiBF4的第一浓度小于与负极邻近的LiTFSI的第二浓度。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251472B2 (en) * 2018-06-27 2022-02-15 Robert Bosch Gmbh System and method for operating batteries based on electrode crystal structure change

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004079515A (ja) * 2002-06-19 2004-03-11 Sharp Corp リチウムポリマー二次電池とその製造方法

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06223877A (ja) * 1993-01-27 1994-08-12 Yuasa Corp 電 池
US5387479A (en) * 1993-06-16 1995-02-07 Valence Technology, Inc. Electrodes for rechargeable lithium batteries
JP2002110243A (ja) * 2000-09-29 2002-04-12 Pionics Co Ltd リチウム二次電池
AU2002211378A1 (en) * 2000-10-06 2002-04-22 E.I. Du Pont De Nemours And Company High performance lithium or lithium ion cell
KR100454030B1 (ko) 2002-08-07 2004-10-20 삼성에스디아이 주식회사 리튬-황 전지용 양극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는리튬-황 전지
US7211351B2 (en) 2003-10-16 2007-05-01 Cymbet Corporation Lithium/air batteries with LiPON as separator and protective barrier and method
US7776478B2 (en) 2005-07-15 2010-08-17 Cymbet Corporation Thin-film batteries with polymer and LiPON electrolyte layers and method
JP2009502011A (ja) * 2005-07-15 2009-01-22 シンベット・コーポレイション 軟質および硬質電解質層付き薄膜電池および方法
US8268197B2 (en) 2006-04-04 2012-09-18 Seeo, Inc. Solid electrolyte material manufacturable by polymer processing methods
US8563168B2 (en) 2006-04-04 2013-10-22 The Regents Of The University Of California High elastic modulus polymer electrolytes
US8771879B2 (en) 2007-09-05 2014-07-08 Ceramatec, Inc. Lithium—sulfur battery with a substantially non-porous lisicon membrane and porous lisicon layer
WO2009092058A1 (en) 2008-01-16 2009-07-23 Seeo, Inc Gel polymer electrolytes for batteries
US20100035141A1 (en) * 2008-08-11 2010-02-11 Victor Grosvenor Enhanced Electrolyte Percolation in Lithium Ion Batteries
CN102272990B (zh) * 2008-11-07 2015-02-11 西奥公司 多电解质电化学电池
JP5313761B2 (ja) * 2009-05-08 2013-10-09 パナソニック株式会社 リチウムイオン電池
WO2011020073A1 (en) 2009-08-14 2011-02-17 Seeo, Inc High energy polymer battery
US20130065134A1 (en) 2010-05-25 2013-03-14 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Nonaqueous-electrolyte battery and method for producing the same
US8735003B2 (en) 2010-06-16 2014-05-27 Alliance For Sustainable Energy, Llc Lithium-ion batteries having conformal solid electrolyte layers
KR20120122674A (ko) * 2011-04-29 2012-11-07 삼성전자주식회사 리튬 이차 전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 이차 전지
JP2013196978A (ja) * 2012-03-21 2013-09-30 National Institute Of Advanced Industrial & Technology ナトリウム二次電池用正極材料及びその製造方法、並びにナトリウム二次電池用正極、ナトリウム二次電池及びこれを用いた電気機器
JP6139243B2 (ja) * 2012-04-27 2017-05-31 株式会社リコー 非水電解液蓄電素子
KR20140017845A (ko) 2012-08-01 2014-02-12 삼성에스디아이 주식회사 이차전지 전극용 바인더 및 이를 포함하는 이차전지용 전극
US8974946B2 (en) 2013-03-15 2015-03-10 Gm Global Technology Operations Coating for separator or cathode of lithium—sulfur or silicon—sulfur battery
US9882238B2 (en) * 2013-05-16 2018-01-30 Nanotek Instruments, Inc. Lithium-sulfur secondary battery containing gradient electrolyte
DE102013011273A1 (de) * 2013-07-05 2015-01-08 Li-Tec Battery Gmbh Separator für eine Lithium-lonen-Batterie, sowie Lithium-lonen-Batterie enthaltend den Separator
WO2015065102A1 (ko) * 2013-10-31 2015-05-07 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지
DE112014005499T5 (de) * 2013-12-03 2016-09-01 Ulvac, Inc. Lithium-Schwefel-Akkumulator
JP6102734B2 (ja) * 2013-12-27 2017-03-29 トヨタ自動車株式会社 電池システム
CN104157842B (zh) * 2014-08-15 2016-06-01 中国人民解放军国防科学技术大学 全氟磺酰羧酸锂聚合物电解质的制备方法及锂硫二次电池
KR102160076B1 (ko) * 2014-08-25 2020-09-25 에스케이이노베이션 주식회사 소듐 이차전지용 고체전해질의 표면 처리 방법
KR102315551B1 (ko) * 2014-10-28 2021-10-22 에스케이이노베이션 주식회사 나트륨 이차전지용 전해질 및 이를 채용한 나트륨 이차전지
CN105789531B (zh) * 2014-12-25 2019-03-15 杭州聚力氢能科技有限公司 阻挡隔膜、其制备方法及包括其的二次电池
CN106207264B (zh) * 2015-05-28 2020-06-12 通用汽车环球科技运作有限责任公司 锂基电池组的电化学电池
KR102420011B1 (ko) * 2015-06-22 2022-07-12 삼성전자주식회사 이차 전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004079515A (ja) * 2002-06-19 2004-03-11 Sharp Corp リチウムポリマー二次電池とその製造方法

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